無人機攝影測量技術在新疆礦山儲量動態監測中的應用

楊青山，范彬彬，魏顯龍，包 琦，許正鵬，喻 帆

(1.巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規劃設計院，新疆庫爾勒841000;2.新疆巴州國源測繪規劃中心，新疆庫爾勒841000)

一、概 述

1.項目背景

礦產資源是新疆的優勢資源和經濟發展的基礎，對礦產資源的綜合開發利用是新疆經濟得以崛起的重要依托［1］。資源的有效開發與管理已成為礦產相關部門的主要工作職責。但是，由于利益的驅使，使得一些單位、一些企業無視政府部門的政策和法規，亂采國家資源，造成國家資源的浪費。因此相關部門正在引進新的技術手段加以管理［2］。無人機攝影測量技術具有靈活、操作簡單等優勢，因而在國民經濟的許多行業得以大顯身手。為此，結合礦山測量的需求，將無人機攝影測量技術早日應用于新疆礦山儲量動態監測中具有較強的必要性［3］。

2.項目意義

新疆礦山數量巨大，并且礦山多在偏僻地區，地形復雜，自然狀況惡劣，傳統的礦山監測方式測量難度大、周期長，無法滿足當今礦山儲量動態變化監測對地理數據不斷更新的要求［4］。無人機攝影測量在空中完成對地面的拍攝，受地形限制較小，大大減少了野外工作量和工作難度［5-6］。同時，無人機飛行的相對航高較低，一般在1000 m以內，其攜帶的高分辨率數碼相機可獲取厘米級分辨率的原始數據，可以滿足各種比例尺影像成圖的要求［7-8］。此外，無人機飛行對起落場地選擇的要求較低，因此，只要天氣狀況良好，就可以保證數據采集的及時性和連續性［9］。最后，通過內業處理可快速獲得測區高精度的數字正射影像(DOM)和數字高程模型(DEM)，數據時效性強，能夠實現空中監視、無人到達目標區可以取證的效果，這樣即可以有效地實現監管，有力地打擊違法開采資源的活動［10］。與其他技術手段相比，無人機攝影測量技術是一種高性價比的數據獲取方法，尤其對于小范圍地區的高分辨率遙感影像快速獲取，這種技術經濟效益高、推廣價值大［11］。

二、研究區概況

本次項目選擇了地形、生產類型和年開采量都有較大差異的新疆尉犁縣哈拉洪軍嫂砂石料礦(以下簡稱軍嫂礦)和新疆焉耆縣五洲四號磚廠磚瓦用黏土礦(以下簡稱五洲四號礦)作為研究對象，討論無人機在新疆礦山儲量動態監測中的應用前景。研究區概況敘述如下。

1.軍嫂礦

軍嫂礦位于尉犁縣城東北方位。礦區地理坐標為東經:86°19'16″—86°21'2″;北緯:41°30'6″—41°31'24″。該礦為露天建筑用沙礦，礦區面積0.471 km2，年生產規模 1.8 萬 m3，開采標高 920 ～900.7 m。

2.五洲四號礦

五洲四號礦位于焉耆縣騰達建材有限責任公司王府磚廠黏土礦以西約30 m處。礦區地理坐標為東經:86°17'36″—86°19'27″;北緯:41°50'30″—41°51'42″。

三、無人機數據的獲取和處理

1.航攝方案

采用交叉航線的方式進行航拍，相機拍攝的原片保持航帶內80%重疊，航帶間60%重疊，獲取的真彩色相片分辨率為0.06 m。

2.控制測量

采用野外鋪地標點的方式進行控制測量，地標點直徑為1 m。在測區的四周和中央共布置5個控制點，大大減少了野外工作量。

3.空三加密

通過光束法空中三角測量進行，由外業提供控制測量結果，內業解算定向點的平面坐標和高程值。

4.生成DEM和DOM

空三加密完成后，基于空三加密成果，密集匹配點云，生成測區0.3 m格網間距的三維點云文件，依據點云文件生成測區1∶1000的DEM。根據外方位元素和DEM逐一對每個像對進行數字微分糾正得到DOM，不同像對的DOM經鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，生成項目區1∶1000的DOM。

5.DOM和DEM質量檢查

基于DEM和DOM進行礦山動用儲量監測前，需對其精度進行系統的檢驗，以確認生成的DEM和DOM質量符合精度要求。分別在軍嫂礦和五洲四號礦測區隨機布設26個和28個野外檢查點，用于檢驗無人機生成的DOM和DEM數據質量。

經檢驗，軍嫂礦和五洲四號礦DOM檢驗點平面中誤差分別為0.10 m和0.09 m;兩個測區檢測點平面中誤差均 100%小于限差 0.40 m［12］。

軍嫂礦和五洲四號礦DEM檢驗點高程中誤差分別為0.14 m和0.16 m;兩個測區檢測點高程誤差均 100%小于限差 0.33 m［12］。

四、無人機數據礦山動用儲量監測

本次項目選擇兩個礦區中礦坑邊緣清晰具備廣泛代表性的軍嫂礦的2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑作為監測對象。

1.礦坑上底面的確定

開采前礦坑原始狀況為自然地貌，其地形可近似為一個平面。因此本次計算假定兩個礦坑的上底面為礦坑邊緣測量高程點的均值。其中軍嫂礦2012年1號采坑上底面高程為906.73 m，五洲四號礦7號采坑上底面高程為1 082.62 m。

2.礦坑下底面的確定

如上文所述，軍嫂礦和五洲四號礦無人機生成的DEM的高程中誤差分別為0.14 m和0.16 m，均符合1∶1000 DEM的高程精度要求，可作為無人機礦產監測的下底面。兩個礦坑的DEM如圖1所示。

圖1

3.動用儲量計算

用ArcGIS Desktop分別創建分辨率0.1 m、高程906.73 m和1 082.62 m的柵格圖層，并用礦坑邊界將其裁剪為和下底面一致的區域作為計算的上底面。運用ArcGIS Desktop的柵格代數運算器將上底面減去下底面，得到上頂面和下底面的差值。用ArcGIS Desktop的柵格區域統計工具對差值面的各項參數進行統計，其中軍嫂礦的2012年1號采坑動用儲量為7 084.81 m3，五洲四號礦7號采坑動用儲量為 71 209.45 m3。

五、GPS RTK礦山地質測量

為評估無人機攝影測量技術在新疆礦山儲量動態監測中的適用性，對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑用傳統的測量手段進行動用儲量監測。將傳統測量方法的結果與無人機測量的結果進行對比，對無人機礦產監測做出客觀的評估。

1.工作量及質量評述

量測點空間分布如圖2所示，軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑的測量點密度分別達到了12 m2/個和10 m2/個。之后進行了野外資料的計算、各種圖件的編制及報告編寫工作。完成主要工作量見表1。

表1 主要工作量統計表

圖2 量測點空間分布

本次監測開展的野外、室內工作嚴格按照相關規范要求進行作業，工作結束后全部資料進行了100%的自檢，上述工作方法、質量均符合動態監測要求。

2.資源儲量估算方法

資源儲量計算公式為

式中，Q為資源儲量，單位為m3;S為采坑面積，單位為m2;H為平均采深，單位為m。

對采坑內高差較大的土包單獨計算面積。

3.資源儲量估算參數的確定

(1)采坑面積

采坑面積在1∶1000資源儲量估算圖上用南方CASS2008成圖系統軟件直接求得。

(2)平均采深

采坑平均采深是各測量點所測定的采坑頂、底高程之差的算術平均值，其中軍嫂礦2012年1號采坑為0.78 m，五洲四號礦7號采坑為7.3 m。

(3)體積

軍嫂礦2012年一號采坑體積為7 577.36 m3，五洲四號礦七號采坑體積為71 301.01 m3。

六、無人機攝影測量技術礦山儲量動態監測可行性分析

本文從精度和效率兩個方面討論無人機攝影測量技術在新疆礦山儲量動態監測中的適用性。

1.精度分析

表2為無人機方式和傳統測量方式對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑儲量變化結果的統計表。以傳統測量方式獲得結果為真值，其偏差量為傳統測量所得結果減去無人機攝影測量結果;相對誤差為偏差量除以傳統測量所得結果。由表可得兩個礦區的動用儲量變化結果相對誤差分別為6.50%和0.12%，相對誤差均優于10%，尤其是五洲四號礦7號采坑無人機監測結果的相對誤差優于1%。軍嫂礦2012年1號采坑相對誤差較大，分析原因在于礦坑中存在著多處堆積，傳統測量方法計算堆積時按照規則錐體進行計算，傳統測量方法是12 m2/個點和10 m2/個點，而無人機攝影測量對礦坑進行逐像素測量，1 m2/100個點，擬合了完整的礦坑表面，生成分辨率為 0.1 m的 DEM，基于DEM計算開采量，結果更加準確，導致兩種測量方式的結果存在偏差。

表2 無人機方式與傳統方式礦產監測結果統計表

2.效率統計

表3為無人機攝影測量方式和傳統測量方式對軍嫂礦進行礦產監測所需時間的統計表。軍嫂礦面積0.471 km2，無人機攝影測量方式共布置5個像控點，交叉航拍獲取2400萬像素地面分辨率為0.06 m的原始照片220張，制作測區DOM和DEM1.2 km2，完成測區礦產監測內外業共需16 h(其中外業4 h，內業12 h)。使用傳統方式對軍嫂礦進行礦產監測時按1∶1000測地形圖的方式進行密集測點(每間隔30 m測量一個點)，完成礦產監測共需要42 h(其中外業35 h，內業7 h)。使用無人機攝影測量方式所需時間約是傳統測量方式的1/3，外業所需時間約是傳統測量方式外業所需時間的1/9，大大減少了外業工作量，降低了工作難度，提高了生產效率。同時無人機攝影測量幾乎不受地形的限制，而傳統測量方式在地形復雜的礦區效率會大大降低，甚至出現部分點無法完成測量的情況。

表3 無人機方式與傳統方式礦產監測所需時間統計表 h

七、結 論

通過對礦山無人機監測項目實施情況的整體分析，綜合運用地理空間分析和區域統計的方法分別對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑進行儲量動態變化評估，同時采用傳統礦山測量的方法評估了這兩個礦坑的動用儲量，得出的主要結論如下:

1)無人機礦山儲量動態監測具有較好的可信度。軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑無人機礦山監測結果與傳統測量礦山監測結果相對誤差分別為6.50%和0.12%，均優于10%，可信度較高。

2)無人機攝影測量技術具有較高的機動靈活性，受地形限制小，能夠避免因地形復雜無法完成測量而產生盲區，大大降低了外業工作的勞動量和難度，完成礦產測量所需時間約是傳統測量方式的1/3，外業工作時間是傳統測量方式外業工作時間的1/9，大大減少了外業工作量，提高了生產效率，能夠在礦產儲量變化監測這種小區域、低空領域充分發揮其優勢。

3)無人機數據可以通過空三加密，在只測量少量控制點的情況下，獲得分辨率為0.1 m的DOM和DEM，相當于每0.1 m進行一次測量;而傳統的測量方式大比例尺測圖約30 m測量一個點，因此無人機工作效率更高且精度更可靠。

4)相比于傳統的礦山測量方式，無人機攝影測量可以獲取現場真實可靠的影像數據DOM和DEM，數據的真實性不容更改，可有效避免擅自更改數據，造成評估結果失實，嚴重損害國家和公眾利益的情況。可對各類礦業活動一目了然，使越界開采、無證開采和超量開采等違規行為無處藏身，對各種違法采礦活動具有較強的威懾作用。

5)只需在每年礦山開始施工前，完成一次攝影測量，通過GIS空間分析手段將所得無人機遙感數據與上年施工前的無人機遙感數據對比分析，即可對每年礦山儲量進行全面的動態監測，且精度可靠，能夠及時為有關部門管理礦產開采提供執法依據和技術支撐，使得礦產開采更加有序。

6)新疆礦產資源豐富，資源的有效開發與管理有著極大的意義，基于無人機礦山儲量動態監測的特點，可以預見無人機礦山儲量動態監測有很大的利用空間，而對它的開發和應用也是勢在必行。

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