數字攝影測量結合GPS進行礦山塌陷坑監測

莊景遺

核工業二八0研究所 四川廣漢 618300

地表沉陷的傳統監測方法不夠完善，監測勞動強度大、無法進行實時監測等，同時由于塌陷坑危險度高，無法直接對其進行測量。因此，為了能夠及時測量地表沉陷地質狀況，我們提出了數字攝影測量技術和GPS技術的結合，對地面塌陷部位進行實時定位測量，這種測量方法對深度大、范圍廣的礦山塌陷坑的監測其中重要的作用，有利于預防塌陷坑的持續擴大，降低其對周邊居民的影響，同時也能夠提高監測效率，為預防工作提供了一定的保障。

1 數字攝影測量與GPS技術概述

1.1 數字攝影測量技術概述

數字攝影測量技術使利用攝影技術而實現自動化監測，本文所使用的數字測量技術主要為近景攝影測量技術，其是通過數碼相機對礦山塌陷坑進行攝影拍照[1]。之后由數字攝影測量將圖片加工成為數字攝影，形成數字化圖像，最后通過傳感器將獲取到的數字圖像傳入到計算機中，形成數字地面模型以及正攝影圖像。該模型圖像包含了相對定向、方位參數解算、自動繪制等內容。

1.2GPS-RTK技術概述

GPS是通過衛星實時定位來建立監測網絡，RTK作為GPS技術的新發展，其能夠完成實時動態的監測。GPS-RTK技術同時具備兩種技術功能，能夠實現短時間內的精準測量，在測量的時候，其通過基準站和流動站的聯通架設接受位置信息，同一時間內的不同站的接收機能夠在接收到同一GPS所發射的信息，進而進行信息的處理工作[2]?；鶞收緞t會對信息計算，得到其差分更改數值，之后通過網絡將數值傳輸到流動站中，而流動站在信息處理上也是同樣的步驟，如圖1所示，彼此不斷的是數據差分縮小，精確測量數據，明確位置，實現精準的定位。

圖1 GPS-RTK技術工作原理

2 數字攝影測量與GPS技術結合的應用

2.1 應用案例

四川西南部某礦業企業在我國東南部某礦山實行了持續多年的礦山開采作業，多年的開采使得該礦區的礦山出現了大面積的塌陷現象，地表形成了兩處影響較大的塌陷坑，兩處塌陷坑均呈現漏斗形狀，深度都超過了100米，對周邊的居民生產生活造成了嚴重的影響，若是繼續進行開采會導致塌陷坑不斷擴大。對此，為了降低塌陷坑的安全隱患，企業采用了新型的數字攝影測量技術對礦山塌陷坑進行實時監測，以便進行控制和預防工作。

2.2 技術應用

數字近景測量技術在對礦區塌陷坑進行監測的時候，首先需要進行定位工作，利用GPS定位相機位置，選好控制點，同時數字相機進行標定工作，進而架設好塌陷部位的數字立體網絡，進而由圖像匹配方案做好同名點的匹配，其次使用線性變換算法和所匹配的同名點計算出區域離散點坐標，之后建立區域數字模型，最后利用地形數字等高線進行分析對比，進而計算出塌陷區的深度、體積、范圍等參數數據[3]。

2.2.1 控制點選取和相機標定

控制點的選取要遵循易于設備安裝和信息接收、視野開闊位置，目標周邊不要有障礙物，遠離電力設施，周邊不可有大范圍水體。根據已有的礦山控制點，通過GPS測量技術確定測量的三維立體坐標為，如圖2所示。在實際作業中，主要是在其中兩個原有控制點和后確定的控制點上分別設置接受設備，同步通過10-11顆觀測衛星進行監測，每次觀測時間為45分鐘。

圖2 GPS測量點布局

在進行相機標定的時候，利用二維DLT的表述坐標

其中L為變換參數，XY為網格坐標點，Z為坐標原點，xy為對應的像坐標，如圖3所示。在網格中，X、Y周是在網格內部的，其矩陣方程表達形式為

2.2.2 影像匹配

本文使用水平像片的核線影像進行影像匹配。匹配的時候首先在低頻子圖像中選取特征進行匹配，之后通過核線影像制作來縮小搜索范圍，同時通過分層匹配縮小左右視差，實現左右范圍的控制，提高匹配率。但是受到噪聲、陰影等因素的影響使得其與相關數的最大值對應點有可能不是實際的對應像點，彼此之間存在差距，導致匹配出現誤差，為了降低匹配誤差。本文通過雙向匹配方法確定匹配點，也就是在成功匹配只有再進行反向的匹配，確定匹配結果無誤差，若是存在不能夠成功匹配的點就要在右片上重新選點，以此做基準點，之后再左片上選擇同名的點后進行匹配，成功匹配后在進行反向匹配，若是還不成功則此點就被稱為可疑點[5]?；诖耍搮^域測量的影像分為左右兩片區，左片子影響塊為510個，右片為105個，得到核線影像匹配點正確的有1300個，雙向匹配率的成功率達到了77．8%。

2.2.3 圖像采集

要了解礦山塌陷坑的立體狀態，需要獲取其數字高程模型，對其地形地面進行數字化模擬，為了建立該模型，需要對坑內及其周邊的離散點進行采集，建立三維立體坐標，這就需要進行地形地面模型數據采集及數據信息的獲取，被測量的坐標點就是參考點[6]。在本次測量中，首先在塌陷坑周邊選擇了7個控點，其是利用全站儀和三維坐標共同得到的，之后對塌陷坑的整體形態進行了拍攝，得到了它的整體數字圖形。

2.2.4 觀測站的設計及應用

離散點的采集需要觀測站作為輔助，在使用GPS-RTK技術進行觀測站設計的時候需要保證觀測線位于地形主斷面，選擇站區時考慮礦區的其他開采作業不能夠受到干擾，觀測線長度也要大于地表礦坑的移動范圍，測點密度上要根據礦坑深度設定，保證觀測站控制點在礦坑移動范圍外，且要深埋進土，保證控制點的穩定。基于此，本文利用GPS-RTK電子水準儀進行了礦坑地形的勘察，進而設置里觀測站，觀測線的控制點有3個，每個距離為100米，塌陷坑周邊的觀測點每個間距在20米，共設置34個觀測點。同時為了更清晰的得到塌陷坑的實際狀況，在公路一邊也設置了觀測點，大約為21個，間距為20米。

2.2.5 離散點坐標的獲取

本文通過RTK動態測量技術對離散點的坐標進行了測量，其是在 1FJ 控制點上建立了觀測站中的基準站點，進而在礦山的塌陷坑周邊位置實行了RTK動態測量，測量選擇的離散點總共有140個，通過實際的測量工作得到，在進行動態定位測量過程的時候，GPS-RTK測量技術觀測站中的流動站在經過兩分鐘的觀測后，進行了實時的定位工作，每次觀測站所觀測的數據只需要幾秒鐘就可以獲得，這樣使得測量活動更加的高效，同時也能夠彌補數碼相機在坡度和平緩地帶測量不準的現象，使得對礦區塌陷坑的三維立體狀態測量和描述能夠更加的精準。

3 結語

綜上所述，通過數字攝影測量方法防止了傳統測量中出現的問題，提高了測量效率。首先，數字近景攝影測量技術作為非接觸形式的測量技術，在塌陷區域、變形地形等區域的測量上十分適合，對三維可視化和精度測量很方便，以滿足礦山塌陷區的精確測量要求。其次，狂三塌陷區的三維測量結果與實際情況相符，且能夠同時得到不同時間點的影像信息，為全面研究的動態變形測量提供了相應的數據。同時，通過GPS、RTK技術處理三維坐標，所生成的數字模型對塌陷坑的監測、計算、預防等都有著積極作用。最后，受到影像遮蔽問題的營銷，塌陷區的影視紋理、色調貧乏單一，本文進行的影像匹配算法盡管使匹配成功了，但是沒有解決影像遮蔽現象，對此，我們需要進一步改進匹配算法，提高匹配的準確性。