利用近景攝影測量技術監測紅旗溝排土場邊坡位移變形

毛斌斌　張　強　徐　豪　葛　濤

(武漢理工大學資源與環境工程學院)

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利用近景攝影測量技術監測紅旗溝排土場邊坡位移變形

毛斌斌張強徐豪葛濤

(武漢理工大學資源與環境工程學院)

介紹了基于近景攝影測量技術進行露天礦山邊坡位移變形監測的基本方法，詳細分析了近景攝影測量技術在邊坡位移變形監測中的應用流程。以金堆城鉬礦紅旗溝排土場邊坡為例，討論了利用近景攝影測量技術獲取點云數據、邊坡變形量的流程和方法，測量誤差分析表明，近景攝影測量技術可對邊坡進行高精度監測，為礦山邊坡維護治理提供數據支持。

近景攝影測量變形監測點云邊坡治理

金堆城鉬礦位于我國陜西省渭南市華縣金堆鎮，年產鉬金屬量約1.2萬t，處于中國鉬行業之首，亞洲第一，世界第二。金堆城鉬礦床采用露天分期開采方式，礦山服務年限達100多a。當前開采深度已達100多m，仍需繼續下采200多m，從而形成300多m深的深凹邊坡，最終開采深度可能形成500m以上國內少見的超深凹邊坡。該礦山的紅旗溝排土場經過30多a的運行，堆土高度達到了125m[1]。由于坡寬面長，長期受雨水沖刷，造成了坡體不穩定。在遭遇暴雨時，極易形成泥石流，嚴重威脅了下游人民的生命財產安全。因此，有必要建立全面的邊坡穩定測量系統，實現快速、高效、實時監測邊坡表面位移，分析評價邊坡的穩定狀態，進而找出危險范圍，以便及時采取防護措施[2]。金堆城鉬礦傳統的位移變形監測方法都為“點”測量方法，無法得到其他部位的位移信息，更無法獲取整個地質體的空間位移模式。近景攝影測量作為一種基于“面”測量的非接觸監測技術，能夠快速、經濟地提供整個監測體的空間三維信息[3]。并且近景攝影測量無需在監測邊坡體范圍內布置任何觀測點和儀器便可對邊坡巖體的表面位移進行監測，保證了測量過程的安全，減少了工作量。本研究在考查金堆城鉬礦邊坡現狀的基礎上，對近景攝影測量邊坡監測技術的流程進行分析，并將其應用于金堆城鉬礦紅旗溝排土場邊坡位移變形監測，論證該方法在礦山邊坡變形監測中的可行性。

1　邊坡變形監測數據處理流程

數字近景攝影測量系統改變了傳統近景碎部測量的作業模式，基于計算機視覺和數字近景攝影測量原理，利用成像傳感器攝取研究對象的影像，通過對影像的處理、解譯和分析，獲取對象的形狀、尺寸、空間位置及與其他對象的空間關系等幾何屬性信息和研究對象的紋理等物理屬性信息，實現了全自動數字近景攝影測量，極大提高了生產效率[4-5]。在紅旗溝排土場邊坡變形監測過程中，攝影之前，首先在重點監護區設置標志點，使用非量測相機(普通數碼單反相機，像素要求在1 200萬以上)進行外業近景攝影測量，獲取監測區影像；然后采用全站儀測量控制點的絕對坐標；最后使用Lensphoto多基線數字近景攝影測量系統對影像進行前處理、空三匹配、空三測量及區域網光束法平差、加密匹配、立體編輯，DEM、點云及等高線的生成，并對變形前后的DEM進行對比，得出相應時間區段的變形量?；诮皵z影測量技術的邊坡變形監測數據處理流程見圖1。

2　外業影像數據采集

2.1控制點布設

在監測區域布設少量控制點，建立攝影像片與目標物間的已知數學關系?？刂泣c標識牌尺寸為 1m×1m，用黑色油漆刷制而成(圖2)。控制點的布設原則：①控制點宜均勻分布于攝影區內，點位不宜布設于近似1條直線上或近似1個平面上；②控制點盡可能布設于拍攝物體(測量對象)四周，便于進行空中三角測量；③控制點數目7～10，點數越多，易增加測量成本，太少則影響測量精度[6]。經實地考查，在紅旗溝排土場共布設了8個控制點，控制點分為3排，上排3個，中排2個，下排3個，依次編號為1#～8#(圖3)。

圖1　邊坡變形監測數據處理流程

圖2　標識牌樣式

圖3　控制點布設

2.2影像拍攝

近景攝影測量的攝影方法有平行攝影法和旋轉多基線交向攝影法2種。平行攝影法是指相機平行于被攝物連續進行拍攝，一次拍攝過程中相機的移動距離較大。旋轉多基線交向攝影法是將拍攝物體分為多個條帶，確定攝站后，在各攝站旋轉相機，對準每一條帶中心進行連續攝影。由于本研究拍攝影像時相機距拍攝物體較遠(達670多m)，因而選用旋轉多基線交向攝影方法(圖4)。采用旋轉多基線交向攝影方法時，首先根據被攝物體的寬度和相機的地面覆蓋范圍，將被攝物體按水平方向劃分為若干條帶，要求條帶間的重疊度大于60%；然后根據攝影距離確定攝影基線的長度和攝站個數；最后在各攝站上手持相機，通過旋轉攝影的方式，對準每一條帶中心進行連續攝影。在金堆城鉬礦紅旗溝排土場邊坡監測過程中，共進行了2次影像拍攝，時間分別為2014年5月15日、2014年10月23日，通過前后2次監測結果的比較，得出邊坡的變形情況。現場拍攝時使用佳能3580相機，1 280萬像素，鏡頭焦距200mm。在排土場設置了3個攝站，每個攝站拍攝4張影像，共12張影像。

圖4　旋轉多基線交向攝影示意

2.3控制點坐標測量

現場影像拍攝完畢后，需測量控制點的絕對坐標，作為進行攝影測量的初始數據。本研究采用SOKKIA全站儀測量各控制點的絕對坐標。

3　內業影像數據處理

3.1空三匹配處理

外業影像拍攝完畢后，需檢驗影像拍攝是否符合規范，須實現空三匹配成功平差，后續的內業影像數據處理方可順利進行?？杖ヅ溆糜谧詣訉ふ也煌跋裆系耐c，匹配前需人工給定航帶內立體像對的種子點和航帶間相應影像的種子點?？杖ヅ涫怯跋駭祿幚淼幕A，空三匹配的效果越好，則后續的平差和解算精度越高，邊坡位移變形監測的結果也越精確。圖5為航帶間的匹配效果圖，影像A、影像B是同一測站拍攝的分屬于不同航帶的2張影像。圖5中的白色區域是程序在兩航帶間找到的同名點，本研究匹配的白色區域范圍廣，遍及整個坡面，表明匹配效果好，航帶間影像的重疊度滿足要求。

3.2點云生成

Lensphoto多基線數字近景攝影測量系統軟件可自動生成密集點云，利用粗差檢測算法，可有效刪除匹配后出現的錯點、無效點。進入點云編輯模塊對點云進行人工編輯，添加特征點線，刪除部分冗余點和錯點。點云生成后可利用三維空間點云建立邊坡的立體模型。本研究點云生成效果見圖6，點云分為3個部分，由上至下依次編號為①、②、③，對應的邊坡圖片也進行類似編號。圖6(a)中白色直線為攝影基線，標有X、Y的線條為系統坐標系，點云中間最為密集，上下較稀疏，對應所拍攝排土場的3塊邊坡，能夠看出邊坡輪廓，說明點云生成效果較好。

圖5　空三匹配處理結果

圖6　點云及邊坡照片

3.3邊坡變形量及精度評價

將點云數據調入數據處理系統后可自動生成測量目標的DEM。將前后2次生成的DEM相減，可得到不同時期監測邊坡的體積變化和最大變形量。比較2014年5月15日、2014年10月23日所拍攝影像生成的DEM，可得到該段時間邊坡所產生的最大變形量。由DEM比較結果可知，2次拍攝期間紅旗溝排土場的最大變形量為4.3mm。在影像處理完畢后，通過增加同名點的方式，量測選定標識牌十字絲交叉處的坐標，檢查監測效果和數據處理誤差。本研究之所以選取了5#點進行誤差分析，是因為：①5#點位于監測區域中部，屬于變形較大的區域，是重點監測區域；②5#點是兩航帶拼接處，數據處理誤差較大。2014年5月15日、2014年10月24日的2次監測中，5#點坐標通過全站儀測量和近景攝影測量得到的結果及兩者的差值見表1。由表1可知：近景攝影測量結果與全站儀測量結果誤差較小，可見近景攝影測量技術具有較高的精度。

4　結　語

分析了傳統邊坡監測方法的缺陷，闡述了近景攝影測量技術在邊坡位移變形監測中的應用流程，并對近景攝影測量技術的邊坡監測精度進行了評價，結果表明，近景攝影測量技術具有較高的精度，測量工作量較小，具有非接觸式拍攝影像的特點，作業安全，可操作性強。利用近景攝影測量數據分析評價邊坡危險狀況，開發相應的邊坡穩定性計算軟件，是需要進一步研究的方向。

表1不同時期5#點坐標值

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[1]席字鵬，王江文.金堆城露天礦紅旗溝排土場的綜合治理[J].現代礦業，2009(10)：131-138.

[2]孫玉科，姚國魁，許兵.礦山邊坡穩定性研究的回顧與展望[J].工程地質學報，1998(4)：305-311.

[3]ArakiK.Ahigh-speedandcontinuous3Dmeasurementsystem[J].MachineVisionandApplications,1995(2):79-84.

[4]丁進選，王斌.多基線數字近景攝影測量在建筑立面提取中的應用[J].測繪通報，2012(6)：47-50.

[5]柯濤，張祖勛.旋轉多基線數字近景攝影測量[J].武漢大學學報：信息科學版，2009，34(1)：44-51.

[6]龔濤.近景攝影測量控制點布設方案的研究[J].西南交通大學學報，1997，32(3)：330-335.

2015-10-26)

毛斌斌(1993—)，男，碩士研究生，430070 湖北省武漢市。