無人機傾斜攝影測量在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用
——以龍山建筑石料用灰?guī)r礦為例

朱正華 （安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001）

1 背景分析

改革開放以來，我國經(jīng)濟社會發(fā)展迅速，因各種基礎(chǔ)建設(shè)等需要，礦產(chǎn)資源的需求量日益加大，致使各種礦產(chǎn)品的價格不斷上漲，受到利益驅(qū)使，有些礦產(chǎn)企業(yè)的開采活動失去監(jiān)管，特別是露天礦山，超層越界現(xiàn)象時有發(fā)生，同時，礦山周邊村民也時常出現(xiàn)偷采現(xiàn)象，因此引發(fā)了大量礦產(chǎn)資源的糾紛，在破壞有序開發(fā)礦產(chǎn)資源秩序的同時，也造成了很大的安全隱患。為了更有效地對露天礦山進(jìn)行實時監(jiān)測，也便于長期持續(xù)監(jiān)管。本文針對宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦開采現(xiàn)狀，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，獲得相關(guān)有效成果，同時對此項技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中應(yīng)用前景加以分析探討。

2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)介紹

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來在測量領(lǐng)域發(fā)展最快的一個測量手段，其基本原理是借助無人機平臺搭載多臺數(shù)碼相機，同時從垂直方向和傾斜方向等多個不同的角度對地物采集有效的高分辨率影像數(shù)據(jù)。最常用的是采用五個棱鏡頭的傾斜攝影系統(tǒng)。通過無人機上搭載的GPS/IMU獲取監(jiān)測對象的實時POS數(shù)據(jù)以及像控點數(shù)據(jù)，再經(jīng)過內(nèi)業(yè)相關(guān)軟件的處理，獲取數(shù)字表面模型（DSM)、數(shù)字正射影像（DOM）、三維模型和實時線劃大比例尺地形圖（DLG)等。相對于常規(guī)測量，無人機傾斜攝影測量技術(shù)所獲取的成果具有地物幾何變形低、成果多樣性、全面而直觀，且便于長期保存等優(yōu)越性。

3 礦區(qū)概況

宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦位于宿州市東北約47km，埇橋區(qū)解集鄉(xiāng)東北方向約3km處，行政區(qū)劃隸屬解集鄉(xiāng)管轄，礦區(qū)西距解集鄉(xiāng)至褚蘭鎮(zhèn)村村通公路約1km，南側(cè)距離S301約2km，礦山自建道路與上述道路相連，交通便利。

4 監(jiān)測方案

4.1 技術(shù)方案

通過收集礦區(qū)地質(zhì)地形圖、開采現(xiàn)狀圖、礦山資源2019年儲量核實報告、礦山開發(fā)利用方案等相關(guān)資料，以及實地測量所需的礦區(qū)控制點分布及坐標(biāo)、高程值等資料，了解礦山基本情況。分析測繪資料坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)及采用的投影參數(shù)，整理分析測繪、地質(zhì)資料后，統(tǒng)一制定實地測量方案。整體技術(shù)路線如下圖所示。

整體技術(shù)路線

4.2 設(shè)備投入

為了保證本項目的成果質(zhì)量，儀器設(shè)備的投入必須滿足要求，本次投入的設(shè)備見表1。

投入使用的設(shè)備 表1

4.3 控制測量

本次埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦超層越界動態(tài)監(jiān)測工作，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，中央子午線117，高斯投影3帶。高程坐標(biāo)系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

根據(jù)龍山建筑石料用灰?guī)r礦實際情況，共做了6個礦區(qū)控制點，15個像控點，完全滿足本次監(jiān)測需要。

利用千尋衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，采用RTK方法對礦區(qū)控制點和像控點進(jìn)行獨立觀測，然后申請納入安徽省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CORS)，按控制點進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)解算出所有控制點和像控點的平面坐標(biāo)和高程。本次礦區(qū)新做的控制點和像控點精度均符合相應(yīng)測量規(guī)范。

4.4 無人機傾斜攝影測量

根據(jù)礦山企業(yè)提供的礦山開采現(xiàn)狀圖及實際開采情況，對礦山開采、治理等相關(guān)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)狀測量，本次主要采用傾斜攝影測量，進(jìn)行三維建模，室內(nèi)立體采集成圖，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制礦山現(xiàn)狀1：500 地形圖。

4.4.1 飛行實施

本次項目采用大疆M300無人機搭載5鏡頭數(shù)碼相機進(jìn)行航攝。根據(jù)航高計算公式要求，結(jié)合實際地形情況，本項目航攝照片地面分辨率為2.04cm，設(shè)計飛行高度130m。飛行時間都選在上午10點至下午4點間，風(fēng)速較小、風(fēng)向穩(wěn)定的時段，保證具有充足的光照度，又避免過大的陰影。本項目共飛行6個架次，完成了整個測區(qū)所有航攝工作。航攝飛行過程中，由于受到風(fēng)向變化及云層高度的影響，為減小風(fēng)向、風(fēng)速對航攝旋片角的影響，云層對航攝照片質(zhì)量的影響，實際作業(yè)時飛行的航向及航高根據(jù)天氣情況有所調(diào)整。各架次實際航攝情況見表2。

各架次實際航攝情況 表2

4.4.2 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量

對于航攝數(shù)據(jù)，直接在工程現(xiàn)場進(jìn)行質(zhì)檢，縮短質(zhì)檢時間，加快項目執(zhí)行進(jìn)度。在航攝過程中，根據(jù)電腦中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時檢查飛機的飛行質(zhì)量，在每天的航飛任務(wù)結(jié)束后，作業(yè)人員使用檢查軟件，將當(dāng)天的航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行快速拼接，檢查是否存在航攝漏洞，同時對航攝數(shù)據(jù)的表征質(zhì)量進(jìn)行檢查。

檢查內(nèi)容及結(jié)果如下：

①平均航向重疊度為80%，旁向重疊度75%；

②最大傾斜角為10；

③像片旋偏角：像片旋偏角最大為13；

④航線彎曲度：航線彎曲度最大為3%；

⑤影像清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)柔和均勻；

⑥GSD值均小于10cm。

由檢查結(jié)果可知航向重疊，旁向重疊，GSD值，最大傾角，相片傾角，航線彎曲度均符合技術(shù)設(shè)計書規(guī)定的航向重疊不少于80%，旁向重疊不少于75%，和《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005-2010）中第7節(jié)規(guī)定的航向傾角一般不得大于5，最大不得超過12，旋偏角一般不得大于15的要求，本項目航攝的精度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4.4.3 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理包括影像解壓縮、相片畸變差校正、圖像增強等工序。本項目影像數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理的相片對比度增強，更加清晰，為后續(xù)的空三加密工作提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

4.4.4 空三加密處理

采用contextcapture三維建模軟件進(jìn)行空三加密。利用軟件自動提取連接點，選擇航向3重疊的連接點作為加密點。自由網(wǎng)平差合格后利用電子刺點片，準(zhǔn)確地將像控點刺入，然后用光束法進(jìn)行測量平差，保證收斂，檢查基本定向點、檢查點的精度。不滿足規(guī)范要求的情況下，通過交互式編輯，剔除粗差點，調(diào)整像控點位置，最終使各項殘差符合規(guī)范要求。

4.4.5 DOM制作

DOM是根據(jù)單張航片的內(nèi)外方位元素和數(shù)字高程模型DEM，采用微分糾正軟件對各個模型的數(shù)字化航空像片進(jìn)行影像重采樣，糾正影像因地面起伏、飛機傾斜等因素引起的失真，把中心投影轉(zhuǎn)換為垂直投影，從而得到單張像片的正射影像。單片正射影像經(jīng)調(diào)色、勻光、鑲嵌、裁切、檢查編輯等步驟，生成標(biāo)準(zhǔn)分幅的正射影像圖。

本項目航攝照片地面分辨率達(dá)到設(shè)計要求，影像無缺損，無云霧遮擋，圖幅內(nèi)影像反差適中，色調(diào)均勻，紋理清楚，層次豐富，無明顯失真，灰度直方圖呈正態(tài)分布。

對DOM進(jìn)行平面位置檢測，明顯地物點中誤差小于0.6m，最大誤差小于0.8m，符合技術(shù)設(shè)計書中平地、丘陵平面位置中誤差1.2m限差要求。

4.4.6 DLG制作

利用空三加密成果，在全數(shù)字?jǐn)z影測量contextcapture工作站中建立影像立體模型。在立體模型下根據(jù)影像定位測繪，對難以確認(rèn)的要素內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記；將內(nèi)業(yè)采集的整幅DLG數(shù)據(jù)及其疑問標(biāo)記做簡單編輯后輸出調(diào)繪底圖；最后結(jié)合外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)，編繪成圖。

地形圖要素的表示按技術(shù)設(shè)計書及《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1：500、1：1000、1：2000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2017）規(guī)定執(zhí)行。

5 成果應(yīng)用分析

通過宿州市埇橋區(qū)龍山建筑石料用灰?guī)r礦本次超層越界動態(tài)檢測過程分析，無人機傾斜攝影測量比常規(guī)檢測優(yōu)勢明顯。

①礦區(qū)通視條件差，礦區(qū)內(nèi)因長期開采坑凹不平，礦山周邊地形復(fù)雜，如用常規(guī)測量方法難度大、進(jìn)度慢、成本高、現(xiàn)實性差，而采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)成圖則精度高、速度快、作業(yè)效率高。

②無人機傾斜攝影測量建立了三維模型，直觀體現(xiàn)礦區(qū)現(xiàn)狀，可以對不同時期三維模型隨時比對監(jiān)管，方便快捷無死角。

③無人機傾斜攝影測量外業(yè)采集大量數(shù)據(jù)，便于長期保存，隨時調(diào)用，對礦區(qū)后期持續(xù)管理提供有力依據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術(shù)，在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用能夠較好地滿足礦山監(jiān)管各方面的要求，多方面展現(xiàn)礦區(qū)現(xiàn)實狀況，獲得大量有效數(shù)據(jù)，各種測量成果可以建庫長期保存，為后續(xù)監(jiān)管中判斷超層越界、盜采等提供有力數(shù)據(jù)支撐，充分體現(xiàn)此項技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中的優(yōu)越性。