無人機在礦山地質環境治理監測中的應用及精度評價
——以淮北市三五山為例

韓麗蘋，黃 榮

安徽省地質礦產勘查局325 地質隊，安徽 淮北 235000

目前，礦山治理監測最常使用的是衛星遙感技術，它的優勢在于覆蓋面積大，成本低，但時效性、靈活性、分辨率偏低，主要適用于調查全域礦產開采秩序問題[1]。無人機傾斜攝影測量技術是一項近年來不斷發展的高新技術，它通過無人機空中作業來獲得高分辨率、高重疊的影像數據，快速地建立帶有高精度坐標的三維模型，并以模型為基礎矢量化輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種測繪數字產品[2]。無人機傾斜攝影技術機動性強，分辨率高，面積小，經費投入低，能夠彌補衛星遙感技術的不足，直觀地展現整個礦山治理區的范圍和治理狀況。露天礦山地形復雜多變，無人機傾斜攝影技術可以實時動態對礦山治理進行監測，提供真實的三維模型，直觀反映礦山開發利用現狀和周邊地貌環境。將無人機傾斜攝影技術應用于露天礦山資源開發的全生命周期中，有利于進一步推動礦山生態修復工作的開展。研究小組以淮北市三五山土地綜合整治項目為例，對其精度進行評價，淺析無人機技術在礦山生態治理監測中的應用。

1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術以無人機為航攝平臺，搭載多種航攝傳感器，獲取地面垂直和傾斜角度多個方向的影像二維相片或掃描的點云數據。數據獲取后，工作人員通過多光譜影像分析、正射影像制作、DSM 和DLG 數據制作等方法，結合機載POS 數據、像控測量成果及其他矢量數據，構建地物與地貌的真實三維模型[3]。

主要操作流程包括：航線飛行設計、像控點布設與測量、無人機航攝、空三解算（約束網平差、刺點、影像接邊處理平差）和三維建模。

2 研究區及實驗數據獲取

2.1 研究區概況

淮北市烈山區三五山土地綜合整治項目位于淮北市東南約9.0 km，總面積約63.14 hm2，分為三五山東部和三五山西部，其中東部面積約26.47 hm2，西部面積約36.67 hm2。研究區為廢棄采石宕口，區內植被已被破壞，基礎條件較差，地形錯綜復雜，垂直高差不一，坡度較大，最大垂直高差達82 m，選取該區域進行實驗具有一定的代表性。

2.2 數據來源

研究小組利用飛馬D2000 無人機搭載傾斜正射模塊，在研究區分別航飛3 個架次，每個架次間隔1 個月，3 次航飛分別在2022 年3月23 日、4 月24 日和5 月21 日。如圖1 所示，根據研究區地形，研究小組在縱向航線上按照研究區走向直線布設，平行于研究區邊界線的首末航線必須確保側視鏡頭能獲得研究區的有效影像；橫向上，選擇從東到西布設航線。行高109 m，航向重疊度67%，旁向重疊度47%，時速10.8 m/s，航向間距50 m。

圖1 測區航線布設圖

通過航飛，研究小組獲得影像照片1 671張（第1 期544 張，第2 期541 張，第3 期586 張）、3 期的POS 數據和RTK 采集的像控點坐標。相機型號SONY ILCE-6000，影像大小6 000×4 000。

2.3 數據處理方法

數據處理包括空三解算和三維建模。無人機數據采集與地面數據采集同步進行，研究小組采用Context Capture 軟件，結合影像的外方位元素，進行全自動空三解算，采用人工智能交互技術將數據進行融合，生成一體化的三維模型[4]。三維模型生產完成后應保證模型的完整性、位置精度、表現精度、屬性精度、現勢性等要求[5]，測繪航空攝影處理流程圖如圖2所示。

圖2 測繪航空攝影處理流程圖

3 實驗結論和精度討論

3.1 三維模型成果

此次三維模型生成使用ArcGIS 軟件，將Context Capture 軟件生產的DSM 作為地形數據，DOM 作為影像數據，通過紋理映射技術將DOM 數據貼合在DSM 上，形成三維影像[6]。3 期模型對比如圖3 所示，模型與現場對比如圖4 所示。

圖3 3 期模型對比圖

圖4 模型與現場對比圖

整體上看，三維模型整體上較好地還原了礦山地物形態，礦山開挖狀況與現場表現一致。治理區域原有的房屋建筑、植被樹木都能較完整地體現出來；局部上，模型色彩相對厚重，尤其是高低變化較大的區域，色調過度起伏較大，突出了礦山開采的變化情況；空間形變上，區域內的植被與礦山高低起伏一致，礦區廠房、礦坑、覆蓋痕跡等均在模型上有所體現。研究小組認為，基于無人機傾斜攝影測量構建的研究區三維模型可以直觀形象地表達礦區的地物特征，構建的三維模型完整全面，細節層次清晰。

3.2 數據評價

研究小組以徠卡GS18 采集的檢查點數據為真實值，與ArcGIS 軟件提取的對應影像高程值進行對比，對生成的影像數據進行檢驗，精度統計原理如下。

式（1）至式（4）中，Δx、Δy、Δh分別為每個檢查點在X、Y、H 方向上的殘差值；n為檢查數量；mx為X 方向的中誤差；my為Y 方向的中誤差；ms為平面中誤差；mh為高程中誤差。

項目檢查點共計27 個，研究小組將3 期檢查數據對比分析。1 期27 個點平面誤差主要分布在0.033～0.241 m 之間，其中平面誤差在0.033～0.137 m 之間的點共有24 個，占比89%；0.137～0.241 m 之間的點共有3 個，占比11%；高程誤差分布在0.054～0.123 m之間，其中高程誤差在0.054～0.09 m 之間的點共有13 個，占比48%；其中高程誤差在0.09～0.123 m 之間的點共有14 個，占比52%。平面誤差最大為0.241 m，中誤差為±0.118 m；高程誤差最大為0.123 m，中誤差為±0.089 m。

2 期27 個點平面誤差主要分布在0.07～0.134 m 之間，其中平面誤差在0.07～0.102 m之間的點共有16 個，占 比59%；0.102～0.134 m 之間的點共有11 個，占比41%；高程誤差分布在0.01～0.2 m 之間，其中高程誤差在0.01～0.11 m 之間的點共有20 個，占比74%；其中高程誤差在0.11～0.2 m之間的點共有7 個，占比26%。平面誤差最大為0.134 m，中誤差為±0.102 m，高程誤差最大為 0.2 m，中誤差為±0.093 m。

3 期27 個點平面誤差主要分布在0.059～0.135 m之間，其中平面誤差在0.059～0.097 m 之間的點共有11 個，占比41%；0.097～0.135 m 之間的點共有16 個，占比59%；高程誤差分布在0.05～0.128 m之間，其中高程誤差在0.05～0.089 m 之間的點共有21 個，占比78%；其中高程誤差在0.89～0.128 m 之間的點共有6 個，占比22%。平面誤差最大為0.135 m，中誤差為±0.101 m，高程誤差最大為 0.128 m，中誤差為±0.084 m。

根據《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T9015-2012），比例尺為1 ∶500 的平面精度應控制在0.3 m 以內，高程精度應控制在0.5 m 內。根據實驗結果，研究區平面中誤差最大為0.118 m，最大誤差0.241 m，數據＜0.3 m 的標準；高程中誤差最大為0.093 m，最大誤差0.2 m，數據＜0.5 m 的標準。由此可見，此次實驗結果符合《三維地理信息模型數據產品規范》精度Ⅰ級要求。

4 礦山地質環境治理監測實例應用分析

研究小組通過無人機傾斜攝影技術，按流程操作獲得3 期實際數據，利用ArcGIS 軟件和南方CASS 軟件，對符合要求的DSM 和DOM 影像進行處理，將標準范圍線套合在新生成的DOM 影像中。通過3 期數據對比分析、數據平面量測，研究小組獲得需要重點監測、治理的露天礦山的開采范圍、開采面積、開采標高、回填信息、礦山地質環境情況等基礎信息，并判斷研究區開采東南方向局部擴張，西部擴大，在研究區范圍界線內，不存在越界開采情況。

通過生成高程DEM 數據，研究小組建立了研究區前后開挖對比影像圖（見圖5），形象直觀地展布了整個礦山環境治理區的范圍與地形概況，提升了監測與評價礦山地質環境治理的效果。如圖5 所示，研究區中心存在超挖現象（黃色圖斑），研究區南北方向存在漏挖、少挖的情形（藍色圖斑）。

圖5 研究區前后開挖對比影像圖

5 技術難點

攝影測量過程中，由于地物遮擋、空間位置起伏變化、分辨率的差異，獲得的數據當中含有非常多的粗差，從而生成大量冗余信息，單獨利用一種匹配方式無法獲得建模所需數據。

因此，研究小組通過實地勘驗，按照平均150 m 的間隔布設像控點，并保證其均勻分布在測區范圍內。對于地形起伏異常較大、大面積植被及面狀水域特征點非常少的區域，應酌情增加像控點布設密度；單個攝影測量區域像控點的布設，其外圍的像控點連線要覆蓋整個區域。調整后的布設方式可以有效辨析地物特性，多層次獲取影像信息，分析多視影像特征，將影像上不同視角的二維特征轉化為三維特征，實現三維模型的影像匹配。

6 結語

研究小組利用無人機傾斜攝影測量技術對淮北市烈山區三五山土地綜合整治項目進行監測數據分析，得到以下結論。

（1）無人機傾斜攝影測量平面中誤差最大為0.118 m，最大誤差0.241 m；高程中誤差最大為0.93 m，最大誤差0.2 m。平面中誤差均小于0.3 m，高程中誤差均小于0.5 m，滿足《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T9015-2012）中規定的Ⅰ級精度誤差標準。

（2）在礦山治理環境監測應用中，研究小組通過建立實景三維模型對比，認為研究區開采東南方向局部擴張，西部擴大；在研究區范圍界線內，不存在越界開采情況；研究區中心存在超挖現象，研究區南北方向存在漏挖少挖的情形。

（3）該項目的生產實踐證明，無人機傾斜攝影測量技術能夠在保證精度滿足要求的前提下真實完整地再現研究區治理現狀。下一步應綜合考慮設備、環境、算法等影響因素，選取更加精準、高效、復雜的精度評價因子，建立更嚴謹的精度評價體系，讓自動生成的三維模型更加直觀全面地反映實際生產情況。