無人機攝影測量在尾礦堆場庫容測定中的應用

黎 亮

（1.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029）

精確計算尾礦堆場庫容量（填方量），既可為礦業生產中合理編制開采計劃、妥善安排開采進度提供準確的數據依據，也符合礦山儲量動態監督管理機制的需要。尾礦堆場中一般為漿體液態或高流動性物質，針對這種地形條件，傳統全站儀或RTK[1]技術外業數據采集的難度大，得到的信息量少、精度不高、效率較低。隨著不接觸測量技術的發展，基于三維激光掃描技術[2-3]、地基雷達[4-5]、InSAR[6]技術的方量計算方法逐漸被廣泛應用，其通過獲取點云數據構建DEM計算庫容量，效率高，但成本也相對較高。消費級無人機攝影測量技術[7-8]逐漸發展成熟，能快速進行外業采集與內業處理，成本低、效率高，在尾礦堆場庫容測量方法中是經濟、效率的優選。首先通過高清影像與地形數據得到的DEM、DOM計算堆場堆填方量，再與設計庫容總量進行對比，得到當前堆場庫容數據。在工程實際中，根據地形條件與工程精度需求選擇合適的挖填方量計算方法[9-10]，能提高作業效率與計算的準確率。本文結合工程實例研究了無人機攝影測量技術在礦山庫容測定中的應用，介紹了無人機攝影測量的技術實現，對比分析了方格網法和DTM法兩種方量計算方法，為更好開展方量測量工作累積了經驗。

1 無人機攝影測量作業

1.1 測區概況

本文以某礦區尾礦堆場的庫容測定為工程實例，尾礦堆場的衛星影像如圖1所示。測區面積約為0.6 km2，由于礦業經營持續不斷，堆場地形起伏變化較大，區域內基本無植被、信號好，有利于無人機飛行。

圖1 測區范圍衛星影像

1.2 外業采集與內業處理

1.2.1 無人機平臺

由于測區面積不大，本文選用大疆精靈4無人機進行數據采集。該無人機配備2 000萬像素的云臺相機、配套軟件以及高效穩定的高清圖像傳輸系統，機身預搭載DJI D-RTK TM 2天空端，可實現高精度準確定位；機身裝配的紅外感知系統和視覺定位系統能實現全方位的視覺定位和障礙物感知，從而更加智能高效地進行外業測量。無人機主要性能參數如表1所示。

表1 大疆精靈4無人機性能參數

1.2.2 像控點布設與航線規劃

大疆精靈4無人機搭載的RTK模塊可獲得影像厘米級的定位精度，實現免像控技術。為提高外業數據采集的精度，本文仍在地面布設部分像控點進行校正和檢核。由于測區范圍較規則且視野開闊，在測區內均勻布設9個像控點，采用千尋知寸CORS賬號對各像控點進行數據采集，每個點獨立采集3次，數據平滑10次。根據測區范圍與像控點的分布規劃航線，實際航線規劃范圍應略大于測區范圍，以便更好地記錄區域邊界外側紋理。

1.2.3 內業處理

本文采用瑞士的Pix4D Mapper軟件處理無人機采集的數據和航空影像。該軟件可自動生成影像，并快速生成專業精確的二維地圖或三維模型，操作便捷、處理快速、精度高，可自動獲取相機參數、自動生成帶紋理的三維模型以及正射校正鑲嵌結果。Pix4D數據處理流程如圖2所示。利用Pix4D軟件對外業采集數據進行處理后的測區正射影像如圖3所示。

圖2 Pix4D軟件處理流程圖

圖3 測區數字正射影像

1.2.4 精度分析

從航測處理數據中提取布設的檢核點點位，并與實測檢核點位進行對比分析，以驗證航測的精度。檢核點為測區范圍內均勻分布的20個明顯的地物特征點，野外坐標采用GPS RTK采集。根據GB/T 14912-2005《1∶500、1∶1 000、1∶2 000外業數字測圖技術規程》，以檢查點野外量測為基準，立體量測相對于野外量測的平面位置中誤差為0.18 m且高程中誤差為0.23 m，則符合要求，即

2 方量計算方法

根據無人機內外業處理的結果，將生成的點云導入南方CASS軟件中，采用方量計算方法對填方量進行計算。CASS軟件中土石方量的計算方法包括方格網法、斷面法、等高線法和DTM法，各方法的適用性不同，即在不同地形地貌條件下不同方法計算的結果與精度都有區別。斷面法適用于地形復雜且起伏較大，挖填深度較大且不規則的地形；等高線法的計算精度相對較低，且需要相應的地形圖資料；方格網法適用于地形地貌變化不大的測區，細分不同的設計標準，其精度主要與方格網的寬度有關；DTM法精度高，能很好地適應復雜、不規則的地形。通過分析無人機航測結果發現，該測區地形分布較規則，地勢起伏不大，宜采用DTM法和方格網法進行挖填方量計算。在本工程實例中主要探討DTM法與方格網法在挖填方量計算中的應用性能。

2.1 DTM法

DTM法以野外測量的高程點數據為基礎，一般采用構建不規則三角網（TIN）的方法，先計算每個TIN內的填方量，再累加各TIN內的填方量得到區域的總填方量。計算當前庫容或當次填方量時，需設計標準或上次測量的TIN模型，兩個TIN模型疊加，兩個表面之間的三角形單元體積即為填方量。在CASS軟件中，先展開野外測量的高程點，確定量方范圍的邊界；再選擇DTM生成方式，建立TIN；然后結合兩次TIN，點擊DTM法土方計算，可直接借助計算機輸出方量信息。具體實現步驟為：計算兩期間土方量→導入第一期TIN→導入第二期TIN→計算結果輸出，如圖4所示。

圖4 兩期間土方量計算過程

2.2 方格網法

與DTM法相同，方格網法也需要以野外測量的高程數據生成TIN，然后通過在TIN中內插方格網計算每個方格內的填方量總和，即為當前區域內的總填方量。具體操作步驟為：繪圖處理→展高程點→確定區域范圍的邊界點并連接閉合→工程應用→方格網法土方量計算→選擇計算方式→選擇設計面→設置網格寬度→結果輸出。方格網法計算結果如圖5所示。

圖5 方格網法計算結果

3 計算分析

3.1 基準數據獲取

為對比方格網法與DTM法計算測區挖填方量的準確性，在挖填方量連續監測的數據中選取一期監測數據，結合堆場的相關設計資料，將測區劃分為16個子分區，細分后的子分區地形適用正、斜方格網法進行計算，將網格寬度設置為1 m×1 m，多次計算得到挖填方量結果，將其作為參考的真實挖填方值，來對比DTM法與方格網法的計算結果。測區劃分示意圖如圖6所示。本文通過每個子分區的挖填方量計算結果來估計堆場的總挖填方量，如表2所示。

表2 子分區挖填方量計算結果統計表

圖6 測區劃分示意圖

3.2 對比分析

為探究兩種土石方量計算方法的精度，本文分別采用DTM法和方格網法對當期的挖填方量進行計算。DTM法選取連續兩期的TIN數據對測區的挖填方量進行計算，方格網法則分別設置了5 m、10 m、20 m 3個網格寬度，輸入標高與坡度值進行計算。按項目設計的許可誤差＜3%來限定計算結果的準確性，兩種方法的計算結果與參考真實值之間的對比誤差如表3所示，可以看出，當網格寬度為5 m、10 m時，方格網法的計算誤差滿足小于3%的要求，表明方格網法中網格寬度的設置是計算土方量準確度的關鍵，網格寬度越大，計算偏差越大，其原因在于該測區雖然地形變化不大，但堆場各個小區域的設計標準不一，為使計算結果具有更高的精度，需根據地形條件，合理減小方格網的邊長；DTM法的挖填方量計算與參考值之間的誤差＜0.5%，差異較小，表明DTM法的計算精確度基本不受地形的限制，始終具有較高的精確性；綜合來看，DTM法在精度、適用范圍上比方格網法更具優勢，可滿足不同地形地貌的測算要求。

表3 兩種算法與參考真實值的對比誤差統計

4 結語

針對大型礦區尾礦堆場的庫容測定，可利用無人機航測技術獲取測區的精密點云，再利用CASS軟件的土方量計算方法得到實際的挖填方量。本文在工程實例中，充分考慮了不同方法的適用范圍，對DTM法與方格網法在挖填方量計算中的精確度和性能進行了對比分析。結果表明，對于方格網法，當區域地形設計標準不同時，應采取細化區域的測量方式，調整算法參數以提高計算的準確度；DTM法的測量精度較高，在精度和適用性上均優于方格網法，可滿足不同地形地貌的測算要求，為生產經營管理調度提供準確的參考依據。