無人機(jī)傾斜攝影在露天礦山開采監(jiān)測中的應(yīng)用

朱守信，李軍吉，梁作前

（1. 紹興市勘察測繪院，浙江 紹興 312000；2. 紹興市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理中心，浙江 紹興 312000）

礦山是與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)的不可再生資源。露天礦山開發(fā)不僅是礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，還包括開發(fā)中的礦山修復(fù)工作，而這些工作的開展離不開相關(guān)部門的監(jiān)測工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段單一、作業(yè)效率低、危險(xiǎn)性高，如何快速、高效、安全地對礦山開采實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測是亟需解決的問題[1]。與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有快速、靈活的特點(diǎn)，特別是在山區(qū)等人員不易到達(dá)的區(qū)域，無人機(jī)可憑借其靈活和自主飛行的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測繪[2-3]；無人機(jī)傾斜攝影成果具有真實(shí)性和高精度，多鏡頭傳感器的數(shù)據(jù)采集方式保證了其可從垂直、側(cè)面等多個(gè)角度采集目標(biāo)紋理信息，影像分辨率高、紋理細(xì)節(jié)突出；能與其他數(shù)據(jù)資源相結(jié)合，通過系統(tǒng)平臺進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)瀏覽、編輯、管理與應(yīng)用分析。

1 無人機(jī)監(jiān)測露天礦山開采技術(shù)流程

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)計(jì)算露天礦山土石方量，首先通過搭載在無人機(jī)上的多鏡頭量測相機(jī)同時(shí)采集不同角度的高分辨率影像，從而獲取地面物體完整準(zhǔn)確的信息，構(gòu)建具有可量測性的高精度實(shí)景三維模型；然后基于模型成果提取高程點(diǎn)；最后利用CASS 軟件計(jì)算土石方量[4-7]。關(guān)鍵技術(shù)包括空中三角測量、影像匹配生成密集點(diǎn)云和三維實(shí)景建模等。基于系統(tǒng)展示平臺，以實(shí)景三維模型為底圖，融合視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、礦山開采設(shè)計(jì)方案和土石方量計(jì)算成果報(bào)告等資料，以滿足成果量測、資料編輯、功能分析等需求，實(shí)現(xiàn)礦山開采進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測。

為了驗(yàn)證無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的可行性，本文選用飛馬D200 四旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無人機(jī)飛行器、D-OP300 傾斜航攝相機(jī)和雙頻GPS 導(dǎo)航模塊等組成，支持PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式，可大大提高影像初始POS的精度，減少對大量野外控制點(diǎn)布設(shè)的依賴，從而降低野外測繪時(shí)間成本。

2 案例應(yīng)用

本文利用無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)采集礦區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)礦區(qū)設(shè)計(jì)資料，建立了開采礦區(qū)的最終三維模型。本文利用開發(fā)的露天礦山開挖監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)對多期三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并結(jié)合土石方量計(jì)算報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了露天礦山開采的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

2.1 監(jiān)測礦區(qū)概況

監(jiān)測礦區(qū)為新昌縣回山鎮(zhèn)蟠溪村高瑯平山建筑石料玄武巖礦，礦山開采范圍如圖1 所示。礦區(qū)面積為0.17 km2，現(xiàn)場地勢陡峭、三面臨河、地形起伏較大；渣土車輛較多，地面沒有太多明顯標(biāo)志，不利于無人機(jī)起飛和外業(yè)控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)的布設(shè)。

圖1 監(jiān)測礦區(qū)位置示意圖

2.2 外業(yè)采集

為減少風(fēng)力、山體、植被陰影等因素對建模成果的影響，航飛時(shí)間選擇在正午前后，在風(fēng)力級別小于5級的條件下起飛。

1）航線規(guī)劃。航線采用飛馬專業(yè)無人機(jī)管家智航線模塊設(shè)計(jì)。該模塊可根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地形起伏和影像要求，基于高精度實(shí)景三維地形自動(dòng)生成滿足后期處理的最佳飛行方案和航線[8]。航線設(shè)計(jì)相對高度為191 m，影像地面分辨率為3 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，共獲取2 720 張航拍影像。航線布設(shè)如圖2所示。

圖2 新昌縣回山鎮(zhèn)蟠溪村高瑯平山航線示意圖

2）點(diǎn)位布設(shè)。采用RTK 布設(shè)野外像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，由于礦區(qū)沒有明顯特征點(diǎn)，因此事先準(zhǔn)備了油漆展板，根據(jù)規(guī)范要求，像控點(diǎn)在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)，共布設(shè)了6個(gè)像控點(diǎn)和6個(gè)檢查點(diǎn)。

2.3 模型構(gòu)建

在無人機(jī)外業(yè)作業(yè)完成后，內(nèi)業(yè)首先對獲取的照片和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再利用建模和修模軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建。本文首先采用國內(nèi)外知名的實(shí)景三維建模軟件Context Capture，通過多視角聯(lián)合平差、數(shù)據(jù)分塊、點(diǎn)云匹配、TIN 網(wǎng)構(gòu)建和紋理貼圖構(gòu)建實(shí)景三維模型；然后利用修模軟件DP-Modeler對構(gòu)建的三維模型場景進(jìn)行檢查修飾，從而獲得高精度的實(shí)景三維模型。建模具體流程如圖3所示。

圖3 實(shí)景三維模型構(gòu)建流程圖

模型質(zhì)量檢查主要包括空三報(bào)告、控制點(diǎn)報(bào)告和檢查點(diǎn)報(bào)告[9]。對比報(bào)告中的數(shù)據(jù)殘差與相關(guān)規(guī)范依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，獲取的4 期無人機(jī)傾斜攝影測量成果均滿足精度要求。以第一期為例，檢查點(diǎn)模型坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的高程誤差如表1所示。

表1 檢查點(diǎn)模型坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的高程誤差（第一期）/m

2.4 土石方量計(jì)算

基于前后兩期礦山實(shí)景三維模型，本文利用SV365 商業(yè)軟件等間隔提取模型點(diǎn)的高程值，剔除區(qū)域非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入CASS 軟件進(jìn)行土石方量計(jì)算。具體計(jì)算步驟為：

1）高程點(diǎn)提取。將構(gòu)建的實(shí)景三維模型導(dǎo)入SV365軟件，采樣間隔設(shè)置為5 m，提取礦山開采范圍線區(qū)域內(nèi)的模型點(diǎn)高程值，檢查并剔除區(qū)域內(nèi)非地面點(diǎn)。

2）土石方量計(jì)算。將提取的高程點(diǎn)導(dǎo)出為dwg格式，并導(dǎo)入CASS 軟件；再利用“工程應(yīng)用”菜單下“DTM 法土石方計(jì)算”子菜單中的“根據(jù)圖上高程點(diǎn)計(jì)算土石方量”功能進(jìn)行計(jì)算。其中，平場高度設(shè)置為290 m，邊界采樣間隔為5 m。

3）精度分析。除構(gòu)建的4 期實(shí)景三維成果數(shù)據(jù)外，本文還通過傳統(tǒng)測量方式獲取的開挖方量進(jìn)行對比驗(yàn)證。對比結(jié)果如表2 所示，可以看出，無人機(jī)傾斜攝影與人工RTK兩種方式的土石方計(jì)算結(jié)果偏差在允許范圍內(nèi)，計(jì)算成果精度較可靠。

表2 無人機(jī)傾斜攝影和人工RTK凈挖方量計(jì)算結(jié)果對比/萬m3

4）優(yōu)勢對比。與傳統(tǒng)測量的土石方量獲取方式相比，無人機(jī)傾斜攝影將大量的外業(yè)采集工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，節(jié)省了人工成本，提高了作業(yè)人員的野外安全系數(shù)。兩種方式對比結(jié)果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)測量與無人機(jī)傾斜攝影測量的土石方量獲取方式對比

2.5 系統(tǒng)成果展示

為了便于礦山管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)管和決策部署，本文基于B/S 構(gòu)架開發(fā)了露天礦山開挖自然監(jiān)測系統(tǒng)（圖4），支持實(shí)景三維、二維影像、電子地圖等多源數(shù)據(jù)成果的導(dǎo)入，能滿足定制化服務(wù)的要求。

圖4 露天礦山開挖自然監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖

1）系統(tǒng)能夠提供24 h 在線登錄和瀏覽，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)成果和礦山設(shè)計(jì)資料的導(dǎo)入、三維成果分屏對比顯示以及距離、高度、面積量測等功能。

2）系統(tǒng)采用實(shí)景三維模型+視頻監(jiān)控的方案，能動(dòng)態(tài)監(jiān)控礦山是否超界開采。系統(tǒng)平臺可調(diào)用視頻接口，獲取視頻傳感器回傳的實(shí)時(shí)信息；再與實(shí)景三維地圖相結(jié)合，將礦區(qū)實(shí)時(shí)信息渲染至地圖上的標(biāo)簽進(jìn)行展示，從而幫助管理人員快速掌握礦山資源實(shí)時(shí)采集信息情況。

3）結(jié)合礦山開采方案，人工構(gòu)建三維設(shè)計(jì)模型。通過將三維設(shè)計(jì)模型與每期實(shí)景三維模型成果進(jìn)行對比分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測開采進(jìn)度。

3 結(jié) 語

本文創(chuàng)新性地將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與露天礦山開采監(jiān)管應(yīng)用相結(jié)合，通過多視角高分辨率的實(shí)景三維模型計(jì)算得到礦山的土石方量，并基于展示應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了露天礦山開采的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，是新型測繪技術(shù)的具體試點(diǎn)應(yīng)用，為科學(xué)、智慧的自然資源監(jiān)測數(shù)字化管理提供了新的思路。