無人機航空攝影測量技術在礦山動態(tài)監(jiān)測中的應用分析

無人機航空攝影測量技術在礦山動態(tài)監(jiān)測中的應用分析

1引言傳統(tǒng)礦山監(jiān)測主要采用的全野外測量方式（GPS-RTK或全站儀實測）對礦山進行測繪及儲量計算。無人機航攝是近年來迅速發(fā)展的空間數(shù)據(jù)獲取手段，具有較高的機動靈活性，受地形限制小，能夠避免因地形復雜無法完成測量而產生盲區(qū)，大大降低了外業(yè)工作的勞動量和難度。相比難度大、周期長的傳統(tǒng)礦山測量方式，無人機遙感技術可快速對地質環(huán)境信息和過時的GIS數(shù)據(jù)庫進行更新、修正和升級。無人機所體現(xiàn)的低成本、高效率，且所獲取的數(shù)據(jù)具有很強的現(xiàn)勢性等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面有明顯優(yōu)勢，對數(shù)字礦山建設和礦山災害應急等工作均具有重要的意義。為驗證無人機航攝技術能否滿足礦山測量及動態(tài)監(jiān)測工作的要求，本文選取了地形區(qū)別較大的南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦（以下簡稱“三炮山礦區(qū)”）和南寧市雙秀石場（以下簡稱“雙秀石場”）作為試點區(qū)域，分別采用無人機航攝手段和傳統(tǒng)全野外測量手段對礦區(qū)進行地形測量及儲量計算，并對兩種測量方式的測量成果及計算結果進行對比分析。經試驗分析，本文認為無人機航空攝影測量技術滿足礦山地形測量及儲量計算的要求，可以應用于南寧礦山動態(tài)監(jiān)測工作當中。2研究區(qū)概況2.1三炮山礦區(qū)三炮山礦區(qū)位于南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村，屬山地地形，開采礦種為磚瓦用頁巖，開采標高+134.80m～+97.00m。2.2雙秀石場雙秀石場位于南寧市雙定鎮(zhèn)秀山村隴埋坡，屬高山地地形，開采礦種為建筑石料用灰?guī)r，開采標高+270m～+180m。3全野外礦山地形測量3.1礦山地形測量利用CORS的網絡RTK方式進行礦山地形測量，用戶隨時可以觀測，使用方便，提高工作效率。本文使用GPS-RTK接收機接入南寧市連續(xù)運行衛(wèi)星綜合服務系統(tǒng)（以下簡稱“NNCORS”）;該系統(tǒng)能夠提供覆蓋南寧市全市域范圍內的厘米級坐標快速定位服務，可以獲得精確的2000國家大地坐標。3.2高程轉換通過“南寧市測繪基準服務平臺”（www.nncors.cn）提供的似大地水準面精化服務，將實測點坐標的高程值轉換為1985國家高程。3.3地形圖成圖地形圖內業(yè)編輯在南方CASS7.0軟件下完成，根據(jù)《國家基本比例尺地形圖圖式第一部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》對1∶1000比例尺地形圖的測圖要求，按CASS7.0繪圖軟件自身編碼系統(tǒng)對地物進行編碼，不存在無編碼的地物，線型連續(xù)，面狀閉合，各項操作均能嚴格按照軟件的要求執(zhí)行。4無人機航攝數(shù)據(jù)獲取與處理4.1無人機航攝生產技術流程根據(jù)礦山測量及儲量計算的工作要求，無人機航攝需要生產的產品包括數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM。生產流程如1圖所示。圖1無人機航攝生產技術流程圖4.2像片控制點布設與測量像片控制點布設采用區(qū)域網布點法，根據(jù)測區(qū)面積大小與地形地貌特征，在三炮山礦區(qū)共布設5個平高控制點，雙秀石場布設6個平高控制點。為確保坐標基準一致，無人機航攝像片控制點的測量采用與全野外地形測量相同的方式（CORS-RTK接入NNCORS），測量成果通過南寧市測繪基準服務平臺進行轉換，使像控點高程成果轉換為1985國家高程。4.3原始航片采集無人機低空航攝采用電動固定翼無人機，相機搭載傾斜航攝鏡頭組，配合35mm定焦鏡頭進行航攝。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》相關要求，考慮礦區(qū)地形起伏較大，宜提高航攝重疊度以避免出現(xiàn)航攝漏洞，故設置航向重疊度為75%，旁向重疊度為55%，地面分辨率0.06m。兩個礦區(qū)的航攝區(qū)域均設置為1km2的矩形，確保在完全包含礦區(qū)范圍的前提下同時對礦區(qū)周邊區(qū)域進行航攝完成無人機航攝任務設置后，需進行飛前檢查，確認飛機和氣象條件均滿足航攝要求之后方可準備起飛。本次工作所用機型采用彈射起飛的方式，到達工作高度之后，根據(jù)地面站發(fā)出的任務指令進入航線，完成低空航攝工作并返航降落。4.4內業(yè)處理由于無人機所攜帶的都是相機不是專業(yè)量測相機，鏡頭畸變較大，因此需在后期利用畸變改正參數(shù)通過計算機軟件對航飛原始影像進行畸變修正。內業(yè)加密采用無人機遙感數(shù)據(jù)處理軟件的空三模塊進行全數(shù)字空三加密，對野外測定的高程點、平面點進行核查和加密，為數(shù)據(jù)采集提供質量可靠的定向點。平差計算采用光束法區(qū)域網平差。空三加密完成后，基于空三加密成果，智能匹配密集點云，生成測區(qū)0.25m格網間距的三維點云文件。對點云進行整體濾波，濾除匹配在建筑物、樹木上等非地面的匹配，生成測區(qū)1∶1000的數(shù)字高程模型（DEM）。根據(jù)外方位元素和DEM逐一對每個像對進行數(shù)字微分糾正，得到數(shù)字正射影像（DOM），不同像對的DOM經鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，生成礦區(qū)1∶1000的DOM。無人機航攝影像細節(jié)清晰，層次豐富，無明顯模糊、重影和錯位，航攝范圍覆蓋整個測區(qū)，真實客觀地反映了礦山的開采現(xiàn)狀。4.5質量檢查基于無人機航攝進行礦山儲量動態(tài)監(jiān)測需要使用DEM和DOM成果，必須對這兩個成果進行精度檢核，以確保其符合相關規(guī)范要求。檢查點按照均勻分布、覆蓋整個測區(qū)的原則進行選點及測量。三炮山礦區(qū)和雙秀石場選取的平面檢查點數(shù)量分別為26個和20個，高程檢查點數(shù)量均為100個。兩個礦區(qū)選取的平面和高程檢查點分布如圖2所示。圖2平面和高程檢查點分布（1）DOM平面位置精度檢查DOM平面位置精度檢查采取外業(yè)實測特征點的方式，將檢查點的平面位置坐標（Xi，Yi）輸入計算機中，并由檢查員在DOM上的提取同名像點坐標（xi，yi），計算平面位置中誤差是否符合相關標準規(guī)范要求。對實測平面坐標與DOM地物特征點坐標的對比結果顯示，三炮山礦區(qū)DOM的平面位置中誤差為±0.23m和±0.19m，兩者均小于《城市測量規(guī)范》對山地和高山地區(qū)域1∶1000DOM平面位置中誤差的限差0.75m［7］。（2）DEM高程精度檢查DEM高程精度檢查是在平面位置精度檢查符合相關標準規(guī)范要求的前提下，將實測的高程檢查點（X，Y，Z）的平面坐標（X，Y）輸入計算機，提取對應點位的DEM高程（Xi，Yi，Zi），與實測高程對比并計算高程中誤差。對實測高程值與DEM格網高程的對比結果顯示，三炮山礦區(qū)航攝所成DEM的高程中誤差為±0.35m，小于《城市測量規(guī)范》對山地區(qū)域1∶1000比例尺、精度等級為一級的DEM高程精度限差1.20m;雙秀石場航攝所成DEM的高程中誤差為±0.67m，小于《城市測量規(guī)范》對高山地區(qū)域1∶1000比例尺、精度等級為一級的DEM高程精度限差2.50m。5礦山儲量計算5.1利用全野外實測成果進行礦山儲量計算南方CASS7.0軟件的方格網法是進行計算土方測量中常用的計算方法。對兩個測區(qū)，根據(jù)地形圖采用5m×5m劃分方格網，將計算起始標高和自然地面標高分別標注在方格點的右上角和右下角，求出各點的高度（挖或填），挖方為（+）、填方為（-）。計算零點位置，將方格網中兩端角點挖方高度符號不同的方格邊上零點位置，標于方格網上，連接零點，即是填方（超挖）或挖方區(qū)的分界線。零點位置按下列公式計算：x1=h2/（h1+h2）×αx2=h2/（h1+h2）×α式中：x1，x2—角點至零點的距離（m）;h1，h2—相鄰兩點角的高程（m）;α—方格網的邊長（m）按方格網底面圖形和下表體積計算公式，計算每個方格網的挖方或填方量，在將所有方格計算土方匯總即得該礦區(qū)的挖方區(qū)和填方區(qū)的總土方量。采用方格網法計算得到的三炮山礦區(qū)和雙秀石場的礦產資源儲量分別為99.3949萬m3和181.4483萬m3。5.2利用無人機航攝成果進行礦山儲量計算在航攝DEM成果的基礎上，使用礦區(qū)開采邊界對DEM進行裁剪。在三炮山礦區(qū)，無越界超采情況存在，因此使用采礦權登記界線進行裁剪;而雙秀石場現(xiàn)場開采范圍超出原有登記界線，在此采用全野外實測得到的現(xiàn)狀開采界線對DEM進行裁剪。得到裁剪過的DEM之后，使用ArcGISforDesktop軟件中的“表面體積”工具計算地表面DEM和參考平面（即開采標高平面）之間的體積。三炮山礦區(qū)無越層超采的情況，計算時只需輸入標高97m、計算條件ABOVE（上方）即可得到礦區(qū)現(xiàn)有儲量101.7863萬m3。三炮山礦區(qū)三維示意圖如圖3所示。圖3山炮山儲量計算示意圖雙秀石場已發(fā)生越層開采，需要分別使用ABOVE和BELOW條件來計算180m標高之上和之下的儲量，兩者加和后，得到實際的礦產儲量189.9449萬m3。雙秀石場三維示意圖如圖4所示。圖4雙秀石場儲量計算示意圖5.3儲量計算結果對比兩個礦區(qū)不同測量方式計算儲量得到的結果如表1所示，以全野外測量計算得到的結果為真值，則偏差量等于全野外測量計算結果減去無人機航攝計算結果，相對誤差為偏差量除以全野外測量計算結果的絕對值。由該表可知，兩個礦區(qū)儲量計算結果相對誤差分別為2.41%和4.68%，兩者均優(yōu)于5%，說明無人機航攝成果計算得到的礦山儲量具有很高的可信性。儲量計算結果對比表表16結論本文通過無人機航攝和全野外測量對南寧市某礦區(qū)進行儲量監(jiān)測，對兩種方式的實施過程、數(shù)據(jù)成果和計算結果進行對比分析，得出以下主要結論：（1）無人機航攝數(shù)據(jù)成果具備可靠性，平面及高程中誤差滿足相關標準規(guī)范要求，可以用于礦山測量和儲量計算工作當中。（2）在南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦和南寧市雙秀石場，無人機航攝與全野外地形測量兩種成果采用同樣的方法進行儲量計算得到的結果相對誤差分別為2.41%和4.68%，無人機航攝計算礦產儲量的可信度較高。（3）對全野外地形測量中人員無法到達、GPS信號不穩(wěn)定的高邊坡、陡坎、灌木林區(qū)，無人機航空攝影測量的方式可以全面覆蓋。（4）相比于傳統(tǒng)的礦山測量方式，無人機航攝獲取得到的高分辨率DOM可以與過往多期衛(wèi)星影像、大飛機航攝影像以及地形數(shù)據(jù)進行疊加對比，其客觀性強于全野外實測