無人機影像支持的礦區開采動態監測方法

章夢霞，鄭新奇，劉 波

(1. 中國地質大學(北京)信息工程學院，北京100083； 2. 東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013)

無人機影像支持的礦區開采動態監測方法

章夢霞1，鄭新奇1，劉 波2

(1. 中國地質大學(北京)信息工程學院，北京100083； 2. 東華理工大學測繪工程學院，江西 南昌 330013)

長期的不合理開發與利用使得我國礦區環境問題尤為突出，對礦區進行動態監測可以有效減少礦業活動所帶來的負面影響。傳統的礦區環境監測多采用實地考察、逐級報告的工作方式，不但需要大量的人力、物力和時間，而且在發現問題時難以作出及時的反應，因此需要尋找一種能夠滿足當前礦區監測工作要求的方法。本文利用無人機獲取礦區高空間分辨率影像來進行礦區開采的動態監測；獲取的影像通過Agisoft PhotoScan Pro軟件的SFM三維重建技術進行處理，實現了影像的快速拼接，以及高質量的數字高程模型(DEM)與數字正射影像圖(DOM)的快速生成；最后利用ArcGIS軟件的GIS方法得到不同時期的DEM高程變化情況及填挖方量，實現了礦區開采的動態監測。本次研究成果客觀，可為礦區相關部門管理與規劃礦區的開采現狀提供有效的資料依據。

無人機；SFM三維重建技術；動態監測；數字高程模型；數字正射影像

在過去的幾十年中，隨著礦業經濟的迅猛發展，礦山開采所帶來的環境問題不僅嚴重影響著人們的生命財產安全和正常的生活秩序，而且在某些地區已經成為制約經濟和社會發展的重要因素。因此，對礦山資源開發利用狀況、礦產資源規劃執行情況和礦山環境進行調查與動態監測，便于及時獲取客觀的相關數據，形成綜合分析報告，有利于為相關部門在保持礦山的可持續發展、制定礦山開發和管理規劃、維護礦山秩序及綜合治理礦山環境等方面提供技術支撐及決策依據[1]。

由于人工實地調查存在需要大量的人力、物力和財力投入，以及很多地方難以巡查到位的情況，導致人工實地調查容易受到人為因素的干擾，效率較為低下[2]；而衛星遙感影像數據獲取周期長，現勢性不夠，且衛星影像的分辨率低影響判別準確性；利用有人駕駛飛機的普通航空遙感所獲取的影像雖然分辨率較高，但是受到了氣候等外界因素制約，對時間要求緊迫的監測任務較難保障，而且成本較高[3]。近年來，迅速發展起來的無人機低空傾斜攝影技術為礦區開采的動態監測開辟了新的道路。無人機靈活性高，受天氣影響小，動態監測效果好、準確度高，因此無人機遙感非常適用于某些特定范圍內需要進行快速精確監測的礦區調查任務，對于人無法到達的地形復雜地區，或多云霧、氣候條件較差的地區來說，使用無人機遙感開展礦區動態監測具有更大的優勢[4]。

本文以X礦區為例，通過無人機獲取礦區不同時間的高空間分辨率影像，利用Agisoft PhotoScan Pro軟件的三維重建技術(structure from motion,SFM)處理影像數據，實現影像的快速拼接及高質量數字高程模型(DEM)和數字正射影像圖(DOM)的快速建立；最后通過ArcGIS軟件的GIS分析方法對不同時期的數字高程模型(DEM)進行分析處理，為礦區相關部門管理與規劃礦區的開采現狀提供有效的依據。

1 研究區概況

X礦區位于浙江省湖州市，西側有杭寧高速公路、東苕溪水運通道及洛舍至乾元鄉村水泥公路。該礦區屬浙北杭嘉湖平原殘丘地貌，區內地形為呈南東向展布的山梁，區域內最高點位于礦區東南側，海拔86 m，最低點位于礦區南東側山間平地，海拔4.29 m，相對最大高差達81.71 m。地形自然坡度為9°～30°，局部較陡。由于前期礦山開采不規范，部分邊坡坡度較陡、高差大，危巖、浮石殘存，邊坡時有崩塌、滑坡等地質災害現象發生；礦區西北側及東北側殘存大量堆土，無任何安全穩定措施，有引發滑坡地質災害的可能，水土流失現象嚴重，存在安全隱患；同時礦區南部裸露的坡面在杭寧高速可視范圍內，嚴重影響了視覺景觀。因此，急需對X礦區開采狀況進行有效的動態監測。

2 礦區開采動態監測方法

2.1 關鍵技術

運動信息中SFM是一種有效、低成本的地形測量工具，其算法極大方便了使用無人機獲取的照片制作詳細的地形模型[5-6]。SFM三維重建技術與傳統攝影測量技術有著本質上的區別，SFM方法基于像對間的特征匹配數據，通過迭代光束平差過程自動求解相機方位和場景幾何形態等信息[7]，其主要技術方法如下：

(1) 每張影像均利用SIFT算子提取特征點[8]，并獲取其對應的Descriptor。

(2) 利用POS或其他約束關系選出可能具有重疊關系的像對。

(3) 對每一像對Descriptor進行匹配，并利用RANSAC算法進行粗差剔除，消除誤匹配[9]。

(4) 基于計算機多目視覺原理，將各像對匹配的同名像點連接統一起來，在逐次平差迭代過程中剔除粗差，估算出視覺場景中相機和由匹配點形成的稀疏點云的相對位置。

(5) 結合相機的GPS和像控點的位置坐標，通過DLS算法來獲取相機和稀疏點云的真實空間位置[10]。

2.2 動態監測流程

本研究以X礦區為例，進行礦區開采的動態監測。首先，利用無人機獲取高空間分辨率影像；然后將所獲取的高空間分辨率影像利用AscTec Navigator軟件完成數據預處理及Agisoft PhotoScan Pro軟件的SFM三維重建技術，實現影像的快速拼接，以及DEM與DOM的快速建立[11]；最后利用ArcGIS軟件對不同時期的DEM模型進行分析處理比較及填挖方的計算。如圖1所示。

圖1 礦區監測流程

2.2.1 數據獲取

本研究通過無人機獲取X礦區的高空間分辨率影像，研究處理的影像共有3期，分別為2015年6月30日、2016年1月15日及2016年3月14日。

在無人機航攝監測前，需在礦區選擇明顯穩固的特征點作為像片控制點，利用已知少量的地面控制點建立圖像空間坐標與現實世界空間坐標之間的空間變換矩陣[12]。本研究共布設與施測了5個像片控制點，像控點最大誤差為10 mm，最小誤差為5 mm，符合相關精度要求。

本文所用的無人機為AscTec Falcon8無人機，最大飛行速度為16 m/s，巡航速度為10 m/s，相機分辨率為3600萬像素。

2.2.2 數據處理

2.2.2.1 數據預處理

無人機外業飛行后需要將無人機所獲取的影像進行預處理，最主要的就是完成相片與相應航線上點的匹配，使其能順利導入后期數據處理軟件中。

2.2.2.2 DOM與DEM的生成

由于無人機飛行姿態的不穩定性，所獲取的影像存在畸變嚴重、旋片角大等問題[13]。而Agisoft PhotoScan Pro軟件能夠自動計算出照片的位置、姿態等，并自動完成其內定向、相對定向及絕對定向，不需要人為干預。Agisoft PhotoScan Pro軟件是由俄羅斯Agisoft公司所研發的一款將2D圖片轉換為3D模型的三維圖片重建軟件。首先，PhotoScan使用高效的圖像特征匹配及跟蹤技術尋找和匹配不同圖像間的公共點；然后，該軟件利用這些公共點自動解算圖像的空間位置，并根據立體攝影測量方法重構3D場景，被重構的區域至少在2個不同視角的圖像中可見[14]。Agisoft PhotoScan Pro實現了用SFM三維重建技術構建SFM三維地形數據，其最大的優勢是集成了所有SFM數據處理流程，而其他方法要結合多個獨立的程序才能建立最終的SFM三維地形數據。

Agisoft PhotoScan Pro軟件構建三維地形數據的主要操作包括：導入相片、對齊相片、轉換相片坐標、設置投影坐標、添加野外測量的地面控制點、建立密集點云、生成網格、生成紋理等，最后直接導出DOM及DEM。以礦區2016年3月14日為例，建立的DOM、DEM如圖2、圖3所示。

圖2 2016年3月14日的DOM

圖3 2016年3月14日的DEM

3 動態監測結果分析

3.1 DEM的裁剪與色帶分類

Agisoft PhotoScan Pro軟件所建立的DOM和DEM是無人機飛行所獲取的整個大區域，需對其進行裁剪，獲得研究范圍內的DOM與DEM。此外，Agisoft PhotoScan Pro軟件生成的DEM是黑白色的，需對其進行分類，并選擇合適的色帶加以區分。三期成果如圖4—圖6所示。

圖4 2015年6月30日

圖5 2016年1月15日

圖6 2016年3月14日

3.2 二期(1月15日)與初期(6月30日)對比分析

通過比較DEM高程變化，可以得到同一地面點不同時期的高程變化值，以此可以計算出不同時期礦區開采動態及填挖方量[15]。對二期的DEM與初期的DEM作相減運算，得到二期與初期的DEM對比圖，再對其進行顏色分類，中斷值手動設置為-5、-3、3、5，選擇合適的顏色，得到最后的對比成果圖，如圖7所示。

圖7 二期與初期的對比分析圖

二期DEM減去初期DEM得到的分析圖，綠色區域為本期高程低于上期的區域，橙色和紅色區域為本期高程高于上期的區域。

對二期DEM與初期DEM作填挖方計算，并導出報表，見表1。

表1 填挖方報表

續表1

通過計算可得，已回填土方約34.9萬m3，已開挖土方約9.84萬m3。經像片查看及咨詢，大部分高出區域是由臨時堆積石料造成的，但由于該礦區目前存在很大的環境問題，因此出現中心區域大面積的回填，但四周仍存在大面積超挖現象。

3.3 三期(3月14日)與二期(1月15日)對比分析

對三期的DEM與二期的DEM作相減運算，得到三期與二期的DEM對比圖，再對其進行顏色的分類，中斷值手動設置為-5、-3、3、5，選擇合適的色帶，得到最后的對比成果圖，如圖8所示。

圖8 本期與二期的對比分析圖

三期DEM減去二期DEM得到的分析圖，綠色區域為本期高程低于上期的區域，橙色和紅色區域為本期高程高于上期的區域。

對三期DEM與二期DEM作填挖方計算，并導出報表，見表2。

通過計算可得，已回填土方約9.69萬m3，已開挖土方約7.95萬m3。相比上一時間段，此時段填挖方明顯減少，主要有三個地方存在超挖現象：

(1) 在礦區西部附近存在超深區域，比二期低約3～8 m。

(2) 在礦區西南部附近存在超深區域，比二期低約3～13 m。

(3) 在礦區東部存在超深區域，比二期低約3～11 m。

表2 填挖方報表

4 結論與展望

無人機靈活性高，受天氣影響小，動態監測效果好，監測準確度高，因此無人機遙感非常適用于某些特定范圍內需要進行快速精確監測的礦區調查任務，對于人無法到達的地形復雜地區，或多云霧、氣候條件較差的地區來說，使用無人機遙感開展礦區動態監測具有更大的優勢。

但是由于無人機飛行姿態的不穩定性，所獲取的影像存在著畸變嚴重、旋片角大等問題。Agisoft PhotoScan Pro軟件基于攝影測量的基本原理，利用SFM三維重建技術，將所獲取的無人機影像通過一系列的處理流程實現影像的快速拼接及高質量的數字高程模型(DEM)與數字正射影像(DOM)的快速建立。

最后對不同時期的數字高程模型進行高程的對比分析處理及填挖方計算，以此得知礦區開采狀況，為礦區相關部門管理與規劃礦區的開采現狀提供有效的資料依據。

由于時間和空間的限制，試驗結果不夠豐富，沒有對產生試驗結果的原因作出解釋，也沒有對試驗數據進一步分析，未能得出此礦區現存在的環境問題相應的治理方案。

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DynamicMonitoringMethodforMiningAreaBasedonUAVImages

ZHANG Mengxia1，ZHENG Xinqi1，LIU Bo2
(1. Information Technology Institute, China University of Geosciences Beijing, Beijing 100083, China; 2. Surveying Engineering Institute, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Due to the unreasonable development and utilization of the mining area, the mining area environmental problems are particularly prominent. And the dynamic monitoring of the mining area can effectively reduce the negative impact of mining activities.Traditional mine environmental monitoring adopts field inspection and step-by-step reporting, which requires not only a great deal of manpower, material and time, but also a timely response to problems, so it is necessary to find a way to meet the current mine monitoring required method. In this paper, the unmanned aerial vehicle (UAV) is used to acquire the high spatial resolution image of a mining area for dynamic monitoring of mining area. The images are processed by structure from Motion of Agisoft PhotoScan Pro software, which realize the fast mosaic of images and the rapid generation of digital elevation model and digital orthophoto map. Finally, we use ArcGIS software GIS method to obtain the DEM elevation changes in different periods and the amount of fill and excavation, to achieve dynamic monitoring of mining area. The results of the study are objective,which can provide effective data for the relevant departments of the mining area to manage and plan the exploitation status of the mining area.

UAV; structure from motion; dynamic monitoring; DEM; DOM

章夢霞，鄭新奇，劉波.無人機影像支持的礦區開采動態監測方法[J].測繪通報，2017(10)：43-47.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0314.

2017-02-10

國土資源部公益性行業科研專項經費(201511010)

章夢霞(1994—)，女，碩士生，主要研究方向為地理信息科學與技術。E-mail:zxqsd@126.com

鄭新奇

P231；P258

A

0494-0911(2017)10-0043-05