露天礦山監管中的無人機測繪技術應用研究

杜甘霖，葉 茂，劉玉珠，何淮林，劉亞克

(浙江省測繪大隊，浙江 杭州 310030)

隨著礦業經濟發展和礦產資源的開發利用，礦產資源日常執法監察的任務日益繁重，礦山資源監管部門會定期對各礦區進行檢查，包括邊坡角是否超限、可綠化覆蓋率是否滿足要求，是否存在越界開采礦產資源、采用破壞性方式開采礦產資源等違法違規情形。各類礦產資源違法行為不斷顯現，呈現出多樣性、復雜性，因此礦產資源執法監察工作對人員專業技術和業務知識的要求越來越高，單一的行政執法方式已不能滿足實際執法監察工作的需要。

傳統的巡查監管手段受客觀因素影響較大，巡查力量分散。由于監管區存在占地面積大、地形復雜多變等特點，使得傳統監管手段勞動強度大、監測周期長、精度不能保證。特別在露天礦邊坡容易出現的滑坡裂隙地段，工作人員進入測區測量存在很大的安全隱患，所以在保證監測精度和效率的前提下，礦產資源監管需要一種較輕外業勞動強度、高精度高效的動態監管技術手段作為工作補充。無人機航測技術以其快速、高效、高精度等優勢，可為礦產開發監管提供有力技術支撐。

1 測繪技術方法概況

近年來，測繪信息技術發展迅速，計算機技術、GNSS技術、地理信息技術、遙感技術等都為露天礦山監管提供了有力的技術支撐。目前，露天礦山監測以人工外業巡查和常規測繪為主要技術手段，主要包括：露天礦控制測量、碎部點測量、采場驗收測量等。對于露天礦山，要對采場區域進行高程點采集，對于高程變化較大的地區適當加密。利用測繪高程數據可對露天礦進行邊坡角監測、開采量計算，定期監測礦山采場穩定性和礦產儲量變化[1]。常規測量需要人員進入礦區實施作業，測量精度較高，但是外業工作量大且存在一定安全風險。

無人機低空遙感采集數據覆蓋面大，外業采集自動化程度高、效率高[2]。無人機航測數據主要是遙感數據，具有較高空間分辨率，同時時效性較強、測繪周期短。無人機測繪包括一般大比例尺航測、傾斜攝影三維建模等，其中傾斜攝影技術是近幾年發展起來的低空攝影測量技術，該技術可對復雜場景進行大范圍、高重疊度、高精度、高分辨率航攝，通過專業航測軟件進行局域網聯合平差、多視影像匹配等步驟處理，生成實景三維模型等成果數據，可直觀反映地物的外形、位置、高度等屬性信息，為高精度測繪提供保證，可視化效果極佳。無人機傾斜攝影測繪成果包括：數字高程模型(DEM)、數字線化圖(DLG)、數字正射影像(DOM)、實景三維模型等，生成流程如圖1所示。利用上述成果可高精度描述露天礦山的幾何特征，全方位展示礦產資源利用現狀，結合露天礦山礦產資源監管的需求，可進行數據深入分析研究。

2 監管應用研究

本研究從越界開采監測、開采量監測、邊坡角監測和日常監管四方面需求入手。監管方法流程如圖2所示，設計通過使用無人機測繪技術對露天礦山進行周期性無人機傾斜攝影測繪和常規測繪，通過監測成果計算礦區采礦量變化，并判斷是否存在違規開采情況，再對照實測數據進行監測精度對比，檢驗無人機測繪監測方法的可行性。

在監測數據管理方面，項目以露天礦區為監測目標，建立三維全景虛擬野外地質信息系統。系統實現三維虛擬野外環境的漫游、量測等功能，提升地質信息的可視性和交互性[3]。

2.1 開采范圍監測

根據礦區范圍線適當外擴進行傾斜攝影航攝設計，在采礦區以外固定點布設像控點，根據監測時間節點進行航攝作業，經過航內步驟后，生產出高分辨率DOM。將采礦審批范圍坐標展點并套合礦區DOM數據，通過人工解譯，可初步判斷礦區實際開采范圍是否存在越界，如圖3所示。通過DOM可直觀判斷出露天礦山越界開采情況，為外業巡查監督提供精準數據，提高工作效率。

圖1 無人機傾斜攝影測繪技術路線Fig.1 UAV tilt mapping technical route

圖2 監管方法流程圖Fig.2 Flow chart of supervision methods

圖3 紅線套合監測示意圖Fig.3 Overstep the boundary supervision

2.2 開采量監測

開采量監測是礦產資源監測重要工作之一。項目設計用傾斜攝影三維建模方法建立礦區實景三維模型。露天礦開采區裸露基本無植被覆蓋，可方便得到礦區DEM數據，用于礦山體積量測(圖4)。為了驗證無人機航測法生產DEM的準確度，無人機航攝作業過程中，同時采用常規測繪方法對礦區進行測繪，得到DEM數據，并確保兩種作業方法在同一采礦間歇期內完成。

將兩種方法各2次的監測成果計算出的開采量與礦區實際開采量進行比較分析，判定無人機航測成果的精度相對于礦山礦產資源開發儲量監精度要求度是否可用，設定最大誤差不超過3%。

圖4 利用DEM計算開采量變化示意圖Fig.4 Using DEM to calculate the distribution of reserves

無人機傾斜攝影航測法以非接觸式測繪對礦區開采量進行測算，降低了測繪人員礦區作業的安全風險，測繪成果可精細、全面描述礦區地理信息，不會產生遺漏，高程精度較高，相比常規測繪方法有較大優勢。

2.3 邊坡角監測

露天礦區每天受到爆破、車輛運輸等因素影響[5]。邊坡受爆破振動影響大，受運輸設備自身載荷及沖擊載荷較大，所以露天礦邊坡容易出現滑坡裂隙情況[6]。本研究設計利用無人機航測制作的DEM，使用ArcGIS軟件的坡度分析工具，自動計算出礦區DEM的坡度值，設置邊坡角安全閾值，監測并定位出邊坡角超限區域，為邊坡角安全治理提供依據。

2.4 日常開采監管

露天礦山的日常巡查可借助無人機航拍實現，拍攝礦區隱患點視頻或照片，進行監測判別[7]。同時開發露天礦山礦產資源監管系統，將各周期測繪成果和監測成果多源數據導入系統，用先進的計算機管理手段，以數據為核心，通過對歷史數據及各周期采集的信息資源的管理，實現對企業各個環節過程中的數據進行控制與監督，并提供輔助決策(圖5)。

在高分辨率數字正射影像和傾斜三維模型的成果上，管理者能夠清楚直觀地觀察露天礦的開采情況，以便制定相應的管理措施，包括開采生產調度、礦山排水疏干、礦山環境保護、礦山土地復用等。根據航測成果可獲取的露天礦山開采境界，而開采境界的范圍將直接決定著露天礦的可開采量、剝離巖石量、露天礦生產能力和開采年限等[8]。這使管理者能夠做到事后可以進行詳盡分析、事中可以進行實時監控、事前可以進行有效預測，提高管理水平[4]。

3 案例應用

根據相關法律法規的要求，各級自然資源部門要按照職能開展礦山開采量動態監督管理工作。礦山采礦量地質測量實行動態管理，每季度不少于一次。對地質條件復雜、資源儲量有較大變化、采礦許可證即將到期，以及開采工作面臨近礦區邊界的礦山，應當增加檢測頻次。

本次選取浙江省西南部某石灰石露天礦進行監測方法進行應用研究，共測繪監測三次，統計出相鄰2個周期內采礦量變化。研究區域地形為丘陵，最大海拔落差約220 m。該礦區儲量較大、開發較早，年產量平穩。本研究使用無人機測繪方法進行監測數據周期性采集與常規測繪結合的方法進行監測數據的生產，使用Smart3D軟件進行航測內業處理，使用ArcGIS軟件進行監測數據處理分析。對于多源監測數據管理，設計使用Skyline軟件進行二次開發，搭建數據管理平臺，用于礦產資源監管。監測成果對比見表1。

圖5 系統框架示意圖Fig.5 Diagram of the system framework

表1 監測結果統計表Table 1 StatisticalTables of monitoring results

周期統計方法無人機測繪常規測繪實際開采輸出量第一次監測工作量2人2天3人10天-第二次監測工作量2人2天3人10天-第三次監測工作量2人2天3人10天-第一周期變化量38.823萬t37.231萬t39.801萬t第二周期變化量35.441萬t35.132萬t36.305萬t

通過兩種監測成果統計對比，無人機監測成果誤差低于3%(礦石密度按2.7 g/cm3)計算。無人機測繪精度更高，且效率高于常規人工測繪。

4 結 語

現代測繪技術無論在空間信息的采集、存儲、空間分析上，還是在測繪成果圖件上，都以自動化、智能化、多樣化、實時化為主，不僅提供有效的露天礦山監測數據，并且更加準確地為分析露天礦山開發狀況提供了技術保障。本文提出使用無人機航測法結合地理信息技術對露天礦山進行動態監管的方法，并結合常規測繪對監測成果進行精度比對，最后以實例進行驗證。結果表明，本研究方法切實可行，不僅大大減小了外業的勞動強度，提高了工作效率，縮短了監測周期，而且獲取的成果滿足露天礦山監測在精度方面的要求，為露天礦山的監管提供了一種快速有效的途徑。測繪技術將與地質學聯系更為緊密，共同發展、共同進步，將在礦產資源監管的過程中發揮更大作用。