無人機航攝技術在露天礦山監測中的應用研究

謝意，易桂軒，梁煥青，范昆飛

(1.南寧市國土測繪地理信息中心，廣西 南寧 530021； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

無人機航攝技術在露天礦山監測中的應用研究

謝意1*，易桂軒2，梁煥青1，范昆飛1

(1.南寧市國土測繪地理信息中心，廣西 南寧 530021； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

以南寧市興寧區五塘鎮四平村三炮山磚用頁巖礦和南寧市雙秀石場為例，探討無人機航攝技術在露天礦山動態監測中的適用性。首先使用全野外地形測量方式和無人機航攝方式分別對礦山進行測量，并以全野外實測成果對無人機航攝成果進行檢查；然后利用兩種測量方法的成果分別進行礦山儲量計算；最后將無人機航攝與全野外地形測量的儲量結果進行對比。研究結果表明：無人機航攝能夠高效、全面地完成礦山測量及礦山儲量的計算，可以應用于露天礦山儲量動態監測中。

無人機；航空攝影測量；礦山監測

1 引 言

傳統礦山監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展的空間數據獲取手段，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，大大降低了外業工作的勞動量和難度[1]。相比難度大、周期長的傳統礦山測量方式，無人機遙感技術可快速對地質環境信息和過時的GIS數據庫進行更新、修正和升級[2]。無人機所體現的低成本、高效率，且所獲取的數據具有很強的現勢性等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面有明顯優勢[3]，對數字礦山建設和礦山災害應急等工作均具有重要的意義[4]。

為驗證無人機航攝技術能否滿足礦山測量及動態監測工作的要求，本文選取了地形區別較大的南寧市興寧區五塘鎮四平村三炮山磚用頁巖礦(以下簡稱“三炮山礦區”)和南寧市雙秀石場(以下簡稱“雙秀石場”)作為試點區域，分別采用無人機航攝手段和傳統全野外測量手段對礦區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監測工作當中。

2 研究區概況

2.1 三炮山礦區

三炮山礦區位于南寧市興寧區五塘鎮四平村，屬山地地形，開采礦種為磚瓦用頁巖，開采標高 +134.80 m～ +97.00 m。2.2 雙秀石場

雙秀石場位于南寧市雙定鎮秀山村隴埋坡，屬高山地地形，開采礦種為建筑石料用灰巖，開采標高 +270 m～+180 m。

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[5]。本文使用GPS-RTK接收機接入南寧市連續運行衛星綜合服務系統(以下簡稱“NNCORS”)；該系統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

地形圖內業編輯在南方CASS 7.0軟件下完成，根據《國家基本比例尺地形圖圖式第一部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》對 1∶1 000比例尺地形圖的測圖要求，按CASS 7.0繪圖軟件自身編碼系統對地物進行編碼，不存在無編碼的地物，線型連續，面狀閉合，各項操作均能嚴格按照軟件的要求執行。

4 無人機航攝數據獲取與處理

4.1 無人機航攝生產技術流程

根據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字高程模型DEM和數字正射影像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域網布點法，根據測區面積大小與地形地貌特征，在三炮山礦區共布設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 35 mm定焦鏡頭進行航攝。根據《低空數字航空攝影規范》相關要求[6]，考慮礦區地形起伏較大，宜提高航攝重疊度以避免出現航攝漏洞，故設置航向重疊度為75%，旁向重疊度為55%，地面分辨率 0.06 m。兩個礦區的航攝區域均設置為 1 km2的矩形，確保在完全包含礦區范圍的前提下同時對礦區周邊區域進行航攝

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，根據地面站發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 內業處理

由于無人機所攜帶的都是相機不是專業量測相機，鏡頭畸變較大，因此需在后期利用畸變改正參數通過計算機軟件對航飛原始影像進行畸變修正。

內業加密采用無人機遙感數據處理軟件的空三模塊進行全數字空三加密，對野外測定的高程點、平面點進行核查和加密，為數據采集提供質量可靠的定向點。平差計算采用光束法區域網平差。

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 0.25 m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 1∶1 000的數字高程模型(DEM)。

根據外方位元素和DEM逐一對每個像對進行數字微分糾正，得到數字正射影像(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 1∶1 000的DOM。

無人機航攝影像細節清晰，層次豐富，無明顯模糊、重影和錯位，航攝范圍覆蓋整個測區，真實客觀地反映了礦山的開采現狀。

4.5 質量檢查

基于無人機航攝進行礦山儲量動態監測需要使用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范要求。

檢查點按照均勻分布、覆蓋整個測區的原則進行選點及測量。三炮山礦區和雙秀石場選取的平面檢查點數量分別為26個和20個，高程檢查點數量均為100個。兩個礦區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DOM的平面位置中誤差為 ±0.23 m和 ±0.19 m，兩者均小于《城市測量規范》對山地和高山地區域 1∶1000 DOM平面位置中誤差的限差 0.75 m[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范要求的前提下，將實測的高程檢查點(Xi，Yi，Zi)的平面坐標(Xi，Yi) 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，三炮山礦區航攝所成DEM的高程中誤差為 ±0.35 m，小于《城市測量規范》對山地區域 1∶1 000比例尺、精度等級為一級的DEM高程精度限差 1.20 m；雙秀石場航攝所成DEM的高程中誤差為 ±0.67 m，小于《城市測量規范》對高山地區域 1∶1 000比例尺、精度等級為一級的DEM高程精度限差 2.50 m[7]。

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CASS 7.0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，根據地形圖采用5 m×5 m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)或挖方區的分界線。零點位置按下列公式計算：

x1=h2/(h1+h2)×α

x2=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的挖方區和填方區的總土方量。采用方格網法計算得到的三炮山礦區和雙秀石場的礦產資源儲量分別為 99.3 949萬m3和 181.448 3萬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，使用礦區開采邊界對DEM進行裁剪。在三炮山礦區，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狀開采界線對DEM進行裁剪。得到裁剪過的DEM之后，使用ArcGIS for Desktop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。

三炮山礦區無越層超采的情況，計算時只需輸入標高 97 m、計算條件ABOVE(上方)即可得到礦區現有儲量 101.786 3萬m3。三炮山礦區三維示意圖如圖3所示。

圖3 三炮山儲量計算示意圖

雙秀石場已發生越層開采，需要分別使用ABOVE和BELOW條件來計算 180 m標高之上和之下的儲量，兩者加和后，得到實際的礦產儲量 189.944 9萬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，兩個礦區儲量計算結果相對誤差分別為2.41%和4.68%，兩者均優于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1

6 結 論

本文通過無人機航攝和全野外測量對南寧市某礦區進行儲量監測，對兩種方式的實施過程、數據成果和計算結果進行對比分析，得出以下主要結論：

(1)無人機航攝數據成果具備可靠性，平面及高程中誤差滿足相關標準規范要求，可以用于礦山測量和儲量計算工作當中。

(2)在南寧市興寧區五塘鎮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信號不穩定的高邊坡、陡坎、灌木林區，無人機航空攝影測量的方式可以全面覆蓋。

(4)相比于傳統的礦山測量方式，無人機航攝獲取得到的高分辨率DOM可以與過往多期衛星影像、大飛機航攝影像以及地形數據進行疊加對比，其客觀性強于全野外實測，可有效杜絕擅自更改數據成果從而造成年審評估結果失實的情況。

(5)本文對兩種測量手段的測量成果均采取較為簡便的計算方法進行儲量計算，尚不能充分體現無人機航攝成果全覆蓋、高分辨率的優越性；此外，為便于計算，未扣除邊坡壓占資源儲量，未考慮回采率、損失率等因素。實際工作中，應充分利用航攝生產的數字高程模型，結合地質勘查成果，構建包含地表信息和地下信息的礦山三維模型，采用適用于特定礦區、特定礦產的儲量計算方法，對露天礦山進行儲量動態監測。

[1] 楊青山，范彬彬，魏顯龍等. 無人機攝影測量技術在新疆礦山儲量動態監測中的應用[J]. 測繪通報，2015(5)：91～94.

[2] 張太鵬，宋會傳. 無人機技術在現代礦山測量中的應用探討[J]. 礦山測量，2010(3)：44～46.

[3] 陳玲，潘伯鳴，曹黎云. 低空無人機航攝系統在四川地形測繪中的應用[J]. 城市勘測，2011(5)：75～77.

[4] 王有業. 無人機技術在數字礦山中的應用[J]. 山西焦煤科技，2012(12)：45～47.

[5] 梁朝鋼，李軍軍，喬戰偉. CORS系統與傳統GPS測量在礦業權實地核查中的應用及對比分析[J]. 礦山測量，2010(6)：24～26.

[6] CH/Z 3005-2010. 低空數字航空攝影規范[S].

[7] CJJ/T8-2011. 城市測量規范[S].

Research on the Application of UAV Photogrammetry in Open-pit Mineral Monitoring

Xie Yi1，Yi Guixuan2，Liang Huanqing1，Fan Kunfei1

(1.Nanning Land Resources Center of Surveying，Mapping and Geoinformation，Nanning 530021，China； 2.Wuhan Geomatics Institution，Wuhan 420000，China)

This paper focus on the application of UAV photogrammetry in open-pit mineral monitoring，taking Sanpaoshan Brick Shale Mine and Shuangxiu Quarry，both located in Nanning city，for instance. First，use traditional survey in the field and UAV photogrammetry，and then bring the results by the two methods into mining reserves calculation procedure. Finally，the calculated reserves of both mining area are compared. We come to the conclusion that UAV photogrammetry，which is more efficient and more comprehensive，could be utilized in monitoring the surface mines.

UAV；photogrammetry；mineral monitoring

1672-8262(2017)02-114-04

P237

B

2016—09—21

謝意(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事攝影測量與遙感等技術工作。