基于高精度實景三維的礦山智慧監管應用探索

摘要：本文基于高精度實景三維技術，通過構建多源數據融合的“智慧管礦”監管平臺，實現對礦山的智能化分析及信息化監管。采用傾斜攝影測量、三維激光掃描等高精度實景三維技術，結合大數據、物聯網和人工智能等開展關鍵技術研究，并選取1個露天礦山、1個地下開采礦山進行實踐驗證。結果表明，基于高精度實景三維技術開發的“智慧管礦”監管平臺在礦山超層越界開采的動態監管中效果顯著，有效提升了礦產資源管理的智能化水平，為礦山監管提供了新的示范與借鑒。

關鍵詞：數字技術；高精度實景三維；“智慧管礦”監管平臺；超層越界開采

中圖分類號：P208""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.02.007

0 引言

中國作為全球少數礦產資源品類較為完備的國家之一，具有豐富的礦產資源儲量和多樣化的礦種，根據自然資源部數據，中國擁有礦產資源種類達171種^［1］。受傳統理念的影響，國內超層越界開采問題普遍存在，這不僅破壞了礦產資源，還可能引發地質安全問題^［2］。超層越界開采行為按空間范圍可劃分為3種類型：在平面上超越礦區范圍開采，在高程上超越礦區范圍開采，在平面上和高程上均超越范圍開采^［3］。

發現、制止和查處超層越界開采違法行為，一直是困擾基層礦產資源管理人員的難題^［4］：礦產資源開采方式不同，特別是地下開采礦山，開采活動隱蔽性較強，查處違法活動難度較大^［5-6］；礦山開采點多面廣、管理人員專業水平參差不齊，日常監管效果不佳；礦山儲量年報可信度低，礦山儲量動態管理建設滯后，難以有效支撐精細化監管要求^［7］。因此，如何轉變礦產資源開發利用方式、嚴格整治超層越界開采亂象，已成為相關政府主管部門面臨的一項重大難題。

實景三維是多維動態現實結構表觀的數字化描述與表達，具有立體化、真實化、實體化三大基本特征^［8］。2022年，自然資源部明確了實景三維中國建設的目標、任務及分工等，實現數字空間與現實空間的實時互聯互通^［9］。如何利用實景三維產品，融合多源時空數據，切合超層越界開采監管痛點，打造應用場景，賦能自然資源管理，已成為當前研究的熱點。王高利^［10］的研究從治理角度出發，分析了預防和治理超層越界開采的策略，為實景三維建模在實際監管中的應用提供了政策和管理上的參考^［10］。陳軍等^［11］和焦學軍等^［12］分別從理論和實踐層面，探討了實景三維開采動態監管方法。這些研究強調了實景三維建模在實現精確量化分析和實時動態監管方面的應用潛力。

本研究基于實景三維技術，借助大數據、物聯網、人工智能等數字化技術，通過整合地理信息、遙感和現代測繪技術，構建了多源數據融合的“智慧管礦”監管平臺，突破了真三維數字空間中觀察、量測、分析、研判及模擬的實際需求^［13］，為礦山超層越界開采智能化分析研判與礦產資源信息化監管提供技術支撐和應用示范^［14］。

1 關鍵技術研究

1.1 實景三維建模方法

關于各種人工地物的實景三維建模一直是測繪和計算機視覺等領域研究的前沿問題^［15］，在生產工藝、成果表現、應用層次等方面均與傳統三維建模不同^［16］，主要包括以下步驟：

（1）數據采集：利用傾斜攝影設備、激光掃描儀等工具，獲取地理場景與地理實體的詳細信息。主要涵蓋數字高程模型、數字表面模型、數字正射影像、真正射影像及激光點云等多種類型。數據加工處理前，首先需要保證數據的精確度，精度應不低于《三維地理信息模型產品規范》及相應規范要求^［17-19］。點云數據具有豐富的幾何信息，這為實現精確的三維目標提供了有力支持^［20］。

（2）數據處理：數據處理流程包括輸入圖片組、特征檢測提取、特征點匹配、剔除誤配、圖像融合及輸出全景圖像等6個過程，采用三維全景技術自動拼接而成（圖1）。

（3）數據處理與建庫：依照《新型基礎測繪與實景三維中國建設技術文件》的規范標準，進行數據處理，構建數據庫，便于數據的儲存、管理及應用。

1.2 構建“智慧管礦”監管平臺

運用實景三維技術，借助大數據、物聯網、人工智能等數字化技術，構建了“智慧管礦”平臺，通過傾斜攝影測量、三維激光掃描等技術采集基礎數據，搭建實景三維模型。結合礦山企業建設、生產檔案資料，利用多源數據融合處理，并定期更新數據，結合礦山現場核查，實現了礦山超層越界開采的實時監控與預警，從而達到自然資源智能化信息化實時監督管理的目的。

1.2.1 平臺總體架構

“智慧管礦”平臺總體架構由智能交互層、業務應用層、應用支持層、基礎設施層和數據接入層等5個層面組成，整體設計遵循礦產資源標準規范體系和信息技術與系統開發的行業安全保障規范，確保數據的高效管理與保護，總體架構如圖2所示。

（1）智能交互層由礦山企業、監管部門及第三方服務機構門戶構成，負責系統與用戶間的交互，包括數據展示、用戶指令接收和智能響應等功能。通過數據可視化技術，將數據信息轉換為直觀的圖表和模型，用戶能夠一目了然地把握關鍵信息。

（2）業務應用層以數據接入層和應用支撐層組件為基礎，構建靈活、高效且可擴展的業務平臺，主要涵蓋5個模塊：礦產資源管理、礦山企業檔案、礦山體檢與評價、安全管理、綜合管控中心。

（3）應用支持層以IOT平臺、AI中臺及微應用工廠為基礎，構建了礦山基礎信息庫、礦山空間模型庫、礦山實時數據庫及礦山安全監管庫等數據庫，確保業務應用層可以高效穩定運行。應用支撐層主要強調云計算、AI和服務導向架構（SOA）的使用，使平臺具有更好的可擴展性和模塊化，便于快速響應需求變化和技術升級。

（4）基礎設施層涵蓋了硬件資源、軟件資源及網絡資源等物理資源及其管理系統，保障了整個平臺的運行環境。硬件設施包括服務器、傳感器及數據存儲中心等，是平臺搭建的基礎。軟件資源包括GPS系統及可視化系統。網絡資源為數據的提取、傳輸等操作提供支持，是其他層正常運行的前提。

（5）數據接入層對各類數據進行統一集成管理，實現對數據的統一接入、分發和管理。統一了數據接入標準和接口，實現了如遙感、三維建模、地質勘探和市場運營等數據的高效整合。利用物聯網技術，在開采區域安裝多種傳感器，極大提高了數據的時效性。

1.2.2 平臺運行流程

對礦山開發利用方案中相關信息進行提煉，根據需要將開發范圍、設備設施、開拓運輸等內容進行三維建模，與實景三維礦山進行融合展示。通過定期采集的模型數據比對分析，實現礦山產量、越界開采等功能的智能計算分析。

企業定期進行基本信息填報更新，之后進入礦山體檢環節。生成礦山體檢報告，由主管部門進行確認。若分數高于設定值，企業可以正常生產，若分數低于閾值，責令其停產停業，進行整改。整改完成后，重新填報企業信息，重新進行體檢環節（圖3）。

2 應用實例

本研究分別選取一個露天礦山、一個地下開采礦山作為研究場地。露天礦山選取山東某透輝巖礦山，開采方式為露天開采，礦區面積約0.20km2，開采標高+110m～+20m，生產規模為10萬t/a。地下開采礦山選取山東某金礦，開采方式為地下開采，生產規模為19.8萬t/a，礦區面積約2.85km2，開采標高為+145m～-1000m。

2.1 總體方案

基于當地實景三維基礎數據，按照“一礦一策”理念，整合礦山企業有關動態監測、檔案資料、開發利用方案等數據信息，融合礦山實時實景三維數據，通過智慧管礦平臺，實現礦山開采信息數據管理、超層越界分析研判等相關功能，實現對露天礦山、地下開采礦山的開發利用監管（圖4）。

2.2 實景三維建模流程

2.2.1 技術指標

采用2000國家大地坐標系（CSCG2000），1985國家高程基準的標準數學基礎^［21］。影像分辨率不應低于0.03m，傾斜攝影航向重疊度應達到70%以上，旁向重疊度至少為60%。在精度指標方面，平面中誤差不超過±0.25m，高程中誤差應控制在±0.15m以內。

2.2.2 數據采集

（1）地下開采礦山

面對錯綜復雜的礦山巷道及開采面，采用架設式三維激光掃描法進行數據采集。所需軟硬件包括RTC360架設式激光掃描儀，Omni SLAM Mapper、Cyclone、Real Works等點云處理軟件（表1）。

首先架設掃描儀，設定掃描密度、拍照模式和視覺跟蹤模式，然后聯合測定礦山地下控制點。本研究對從不同視角獲得的點云數據進行整體配準，以構建礦山巷道和開采工作面的完整模型。

（2）露天開采礦山

采用飛馬D500旋翼無人機搭載傾斜五鏡頭相機D-OP4000獲取傾斜影像。在劃定航攝范圍的基礎上，結合礦區地形特征，對航攝范圍進行分區，并基于分區基準面高程設計航線。

空三處理采用POS數據、相機文件、像控測量數據以及影像數據協同約束的光束法區域網，并通過多余控制點檢測空中三角測量成果精度情況。為提高空中三角測量的成果精度，可以使用軟件對測區進行二次空三運算，最終得到更精確的測區空三結果，并生成傾斜航空攝影空中三角測量成果報告（表2）。

2.2.3 數據處理

（1）地下開采礦山

每日觀測結束后，及時將數據導入Cyclone Register360軟件進行后續處理。對掃描數據進行配準拼接，測站間采用公共標靶配準的方式進行拼接，拼接完成后進行整體優化，連接數以及點群誤差如表3所示。點群誤差較小，重疊度以及強度充足。

（2）露天開采礦山

首先根據測區大小和影像分辨率，對模型進行瓦片劃分，幾何精度控制在2個像素誤差范圍內。然后根據立體模型及空三數據，分別對各個視角中最清晰的影像進行首次紋理貼圖。對瓦片采取色彩均衡算法，將所有處理過的帶紋理的瓦片納入計算范圍（圖5）。

各加密分區空三精度，自由網平差后像點坐標中誤差均小于2個像素，區域網平差后像控點和檢查點精度均滿足規范要求，詳見表4。

2.3 功能實現

基于“智慧管礦”平臺，應用高精度實景三維建模技術，通過高密度點云數據的抽稀處理和三維不規則TIN模型的構建，精準再現礦山景觀的實體模型。

2.3.1 超層越界分析

對于露天礦山，通過高精度實景三維模型與采礦許可證的空間交叉分析，可獲得礦山開采活動位置及范圍，用不同顏色的顯示來判斷是否存在超層越界開采行為，綠色代表為未越界，紅色代表越界，如圖6所示。

對于地下開采礦山，通過巷道、工程及開采工作面等三維模型與采礦許可證的空間交叉分析，可獲得礦山開采活動位置，用不同顏色的顯示來判斷是否存在越界開采行為及超出邊界距離，綠色代表為未越界，紅色代表越界（圖7）。

2.3.2 開采量分析

對不同時期的高精度實景三維模型進行自動對比，獲得礦山該時期的開采部位及實際開采量，用不同的顏色進行標識（圖8）。通過對比年初年末兩期實景三維模型，即可獲得礦山全年實際開采資源量及開采部位，疊加礦山批復生產規模，可直觀判斷礦山是否存在超越批復生產規模開采活動。

2.3.3 剖面分析

在實景三維底圖中繪制關注剖面位置，獲得整個剖面的臺階高度剖面圖（圖9）。通過對比分析，可直觀判斷露天礦山留設平臺、邊坡是否滿足開發利用方案要求。

2.3.4 挖填方分析

在實景三維底圖中繪制關注范圍，以藍色區域顯示。設置基準面高程和采樣精度，藍色區域上方會自動顯示區域的水平面積、挖填方量等信息（圖10）。

2.3.5 時序影像對比分析

通過疊加多期高精度實景三維模型，實現礦山不同時期的實景三維模型可視化展示及直觀對比。同時，通過對監測單元的位置、面積、深度、長度和體積等關鍵參數實時測量，可智能分析該時期開采范圍、礦堆體積以及尾礦庫的變動情況，實現了礦區隨時間變化的動態監測。

2.4 效果分析

過去，自然資源主管部門主要通過實地核查方式進行監管，受多種因素影響，存在手段單一、精度不高、效率低下等問題，監管效果并不理想。在本研究中，利用“智慧管礦”平臺不僅可以自主識別出礦山超層越界開采的區域、面積，還能固定礦山的違法違規開采線索。結果表明，運用高精度實景三維建模技術進行精確建模與監測，并通過構建“智慧管礦”平臺，能夠實現超層越界開采的自動化智能化監管，實現礦山從發證到閉坑的全周期監管，從發現問題到解決問題的全流程閉環監管，從露天到井下的立體化全方位監管，對于保護自然資源、維護生態平衡具有重要意義。

3 結論

人工智能與大數據的結合為“智慧管礦”的發展提供了巨大潛力。通過深度學習和數據挖掘，“智慧管礦”平臺可實現更精準的風險預測和資源優化配置，可大幅提高礦山的安全性和礦產資源開發利用率。然而，在復雜地質環境下，傳感器精度和數據穩定性不足，可能影響數據采集和處理的準確性；對于地下開采礦山，對礦山地下巷道控制點信息的依賴也可能影響數據的真實性。另外，平臺間互操作性有待提升，礦山企業與地方政府主管部門的數據系統未完全打通，形成“數據孤島”，對信息流的高效共享將會造成一定的影響。

高精度實景三維建模技術為自然資源管理提供了新的視角和工具，本研究在此基礎上，設計構建了包含礦產資源管理、礦山企業檔案、礦山健康與評價、礦山安全管理及綜合管控中心的“智慧管礦”監管平臺，初步實現了礦產資源的三維可視化管理功能，并分別選取一個露天礦山、一個地下開采礦山進行了實踐驗證，并探討了“智慧管礦”平臺可能存在的不足及發展方向，為解決超層越界開采等問題提供了有效的技術支撐，對于推動主管部門礦山管理的現代化、智能化發展具有重要的實踐價值和廣闊的應用前景。

參考文獻：

［1］ 中國地質調查局.中國礦產資源數據庫［M］.北京：地質出版社，2015：10-54.

［2］ 謝洪斌，楊雪，張亞，等.無人機傾斜攝影在露天礦山監管中的應用［J］.露天采礦技術，2019，34（4）：50-54.

［3］劉一，馬燦璇，湛龍，等.基于無人機技術的露天礦山越界開采監測與評估方法［J］.中國礦業，2024，33（1）：105-113.

［4］王飛躍.電子圍欄技術及采礦權超層越界開采防范［J］.中國礦業，2023，32（增刊1）：16-21.

［5］李宗偉.基于慣性導航的煤礦越界開采檢測方法［J］.煤礦安全，2023，54（8）：234-240.

［6］ 陳林，曹幼元，黃長軍.礦山越界開采預防措施初探［J］.中國礦業，2024，33（7）：37-40.

［7］曲俊利，孟剛，苗琦，等.完善礦山儲量年度報告制度的若干建議［J］.中國礦業，2024，33（S2）：15-19.

［8］陳軍，劉建軍，田海波.實景三維中國建設的基本定位與技術路徑［J］.武漢大學學報·信息科學版，2022，47（10）：1568-1575.

［9］ 自然資源部辦公廳.全面推進實景三維中國建設的通知［EB/OL］.［2022-05-20］.https：//www.gov.cn/xinwen/2022-03/01/content_5676226.html.

［10］王高利.淺析露天礦山超層越界開采的預防與治理［J］.世界有色金屬，2017（15）：71.

［11］ 賈夙，徐花芝，吳艷艷，等.傾斜攝影技術支持的實景三維模型制作DOM研究［J］.山東國土資源，2024，40（5）：39-44.

［12］焦學軍，王金娜，宋會傳.基于實景三維的露天礦山開采動態監管方法研究［J］.地理空間信息，2022，2（15）：60-63.

［13］ 陳軍.多維動態地理空間框架數據的構建［J］.地球信息科學，2002，4（1）：7-13.

［14］ 陳軍，武昊，劉萬增，等.自然資源時空信息的技術內涵與研究方向［J］.測繪學報，2022，51（7）：1130-1140.

［15］ 楊必勝，韓旭，董震.適用于城市場景大規模點云語義標識的深度學習網絡［J］.測繪學報，2021，50（8）：1059-1067.

［16］ 趙歡，何高波.傾斜攝影實景三維模型的質量檢查方法探討［J］.地礦測繪，2020，3（3）：131-132.

［17］ 劉增良，陳思，陳品祥.城市傾斜攝影實景三維模型數據質量檢查方法研究與實踐［J］.測繪通報，2019（2）：108-112.

［18］張紅華，趙威成，劉強凱.傾斜攝影實景三維模型建筑物單體化方法研究［J］.北京測繪，2020，34（3）：289-291.

［19］ 公明，張帥帥，張翔.傾斜攝影測量技術在歷史建筑普查中的應用［J］.城市勘測，2020（1）：102-104.

［20］李佳男，王澤，許廷發.基于點云數據的三維目標檢測技術研究進展［J］.光學學報，2023，43（15）：151-161.

［21］ 白楊，李永強，王英，等.時空一體化實景三維建模在自然資源確權登記中的應用研究：以山東長島國家級自然保護區為例［J］.山東國土資源，2023，39（10）：67-74.

Study on Application of Mine Intelligent Supervision Based on High Precision Realistic 3D Technology

SONG Taotao， CAO Rui， ZHAO Chuang， WANG Rujie， CHENG Dongjiang， HAN Dong

（Key Laboratory of Geological Safety of Coastal Urban Underground Space of the Ministry of Natural Resources， Qingdao Geo-engineering Exploration Institute（Qingdao Geological Exploration Development Bureau） ， Shandong Qingdao 266100， China）

Abstract： Based on high precision real time 3D technology， through onstructing a \"smart mine management\" supervision platform， intelligent analysis and information-based supervision of mines have been realized. By using high precision real-time 3D technologies， such as oblique photogrammetry and 3D laser scanning， combining with big data， the integrated big data， the internet of things and artificial intelligence， key technology research has been carried out. One open-pit mine and one underground mining mine have been selected for practical verification. It is showed that \"smart mine management\" supervision platform developed based on high-precision real-time 3D technology has significant effects in dynamic supervision of mining super layer boundary mining. It can effectively improve the intelligence level of mineral resource management and provide new demonstration and references for mining supervision.

Key words： Digital technology; high precision real-scene 3D modeling; \"smart mine management\" regulatory platform; trans-boundary over mining

基金項目：青島市自然資源和規劃局，智慧管礦試點跟蹤監測項目（ZFCG2023006263）

作者簡介：宋濤濤（1987—），男，山西孝義人，高級工程師，主要從事礦產勘查工作；E-mail：18661811057@163.com

*通信作者：曹瑞（1986—），男，山東費縣人，高級工程師，主要從事礦產勘查工作；E-mail：277025178@qq.com

引文格式：宋濤濤，曹瑞，趙闖，等.基于高精度實景三維的礦山智慧監管應用探索［J］.山東國土資源，2025，41（2）：4450.SONG Taotao， CAO Rui， ZHAO Chuang， et al. Study on Application of Mine Intelligent Supervision Based on High Precision Realistic 3D Technology［J］.Shandong Land and Resources，2025，41（2）：4450.