無人機傾斜攝影測量在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用策略分析
——以河南A 礦山為例

王 凱，王 瑩，常勤慧

（1.河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南 鄭州 450000；2.河南省第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

礦產(chǎn)資源屬于國民經(jīng)濟可持續(xù)化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，國家頒布了《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》等法律條規(guī)和行業(yè)規(guī)定，旨在認真貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”的理念，強化對礦產(chǎn)資源的監(jiān)測和管理。河南省自2006 年就開展了礦產(chǎn)資源開發(fā)和遙感監(jiān)測工作，尤其是針對省內(nèi)的中西部金礦、鐵礦等十多個礦種、超出1500 個礦山陸續(xù)開展監(jiān)測工作，并于2015年開始建立了礦山地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，當(dāng)?shù)厣鐣鹘鐚ΦV山監(jiān)測工作的重視程度也與日俱增。此次基于無人機傾斜攝影測量來探究礦山監(jiān)測，有重要現(xiàn)實意義與指導(dǎo)價值。

1 當(dāng)前礦山監(jiān)測及其難點

1.2 礦山監(jiān)測及其難點

礦山監(jiān)測指利用先進的傳感器技術(shù)、信號傳輸技術(shù)、軟件技術(shù)等來監(jiān)測可能影響到礦山安全的相關(guān)指標的工程。宏觀上分析，礦山監(jiān)測是項任務(wù)艱巨且復(fù)雜細節(jié)多的工程，再加之受到地形地質(zhì)因素的影響，都明顯加大了礦山監(jiān)測的難度。當(dāng)前礦山監(jiān)測工作的難點主要體現(xiàn)在兩點上：

其一，工作量大。通常具備開采價值的礦山無論是儲量還是體型都較于偏大，因而其待監(jiān)測的范圍也會更大。技術(shù)人員不僅需要詳細了解礦區(qū)位置、礦產(chǎn)儲量及其他信息的變動情況，還需要分析礦山開采過程中可能對周圍環(huán)境的影響，需要增加監(jiān)測次數(shù)并進行多次信息收集，會加大技術(shù)人員工作量[2]。

其二，技術(shù)性強。無人機傾斜攝影測量屬于新時期下被廣泛運用的監(jiān)測技術(shù)，雖然操作上得到明顯簡化，但它對于設(shè)備和人員專業(yè)素質(zhì)都有著較高的要求，若技術(shù)水平低下會直接影響礦山監(jiān)測質(zhì)量與進度。

2 無人機傾斜攝影及其應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 無人機傾斜攝影技術(shù)

無人機（Unmanned Aerial Vehicle；UAV）是無人駕駛飛機的縮寫，它能利用無線電遙控設(shè)備和自備程序來控制，世界海關(guān)組織協(xié)調(diào)調(diào)度委員會將UAV 歸類為“會飛的照相機”[1]。無人機傾斜攝影是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展的高新技術(shù)，能從垂直、傾斜不同角度采集影像，確保對相應(yīng)對象的監(jiān)測更為形象直觀。該技術(shù)以無人機這一工具為載體，搭載上5 鏡頭傾斜相機（圖1，鏡頭和地面成一定夾角，通常15° ～45°）后按照預(yù)定航線自主飛行。和傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，無人機傾斜攝影技術(shù)無論是拍攝的效率還是質(zhì)量上都有較顯著的優(yōu)勢，還能有效縮短成圖的周期和監(jiān)測的時間，尤其在許多困難地區(qū)測繪領(lǐng)域中發(fā)揮出價值。當(dāng)前該攝影技術(shù)被用于礦山測量中，以期能優(yōu)化礦山監(jiān)測方案提升監(jiān)管力度。

圖1 無人機傾斜攝影

2.2 無人機傾斜攝影測量在礦山監(jiān)測的應(yīng)用優(yōu)勢

無人機傾斜攝影測量應(yīng)用于礦山監(jiān)測的優(yōu)勢可總結(jié)為三點：

（1）監(jiān)測效率高。礦山監(jiān)測涉及范圍廣、數(shù)據(jù)多，監(jiān)測效率低下會影響到礦山測繪水平。和其他測繪技術(shù)相比，無人機傾斜攝影有著監(jiān)測效率高的明顯優(yōu)勢。在無人機傾斜攝影技術(shù)中，還集合了全球定位技術(shù)（GPS）、飛行器技術(shù)和數(shù)碼傳感器技術(shù)等先進技術(shù)，能明顯提升整體的監(jiān)測工作效率，為后續(xù)礦山的開采與保護等工作奠定堅實基礎(chǔ)。

（2）靈活性好。和常規(guī)的航拍飛機相比，無人機體型輕巧操作便捷，無需駕駛員，能實現(xiàn)靈活操控。同時運用無人機傾斜攝影測量還能監(jiān)測到礦山內(nèi)不同范圍的區(qū)域環(huán)境問題，提升整體的監(jiān)測質(zhì)量。

（3）數(shù)據(jù)分辨率高。無人機傾斜攝影技術(shù)中涵蓋了GPS 技術(shù)、傳感器技術(shù)等，能很大程度上地提升了整個設(shè)備系統(tǒng)的質(zhì)量，保障其攝影技術(shù)分辨率。無人機傾斜攝影分辨率可超出衛(wèi)星影像分辨率的三倍，且能達到0.1 m 精確度，成果點位精度能超出95%[3]。

3 無人機傾斜攝影測量在礦山監(jiān)測的應(yīng)用

3.1 案例概況

河南省南陽市某礦山（鐵礦）位于南陽市桐柏縣，下文簡稱A 礦山。A 礦山處于河南省的東南部，在豫、鄂交界處。該地區(qū)鐵礦資源豐富，含鐵量近105 t受到廣泛關(guān)注。A 礦山內(nèi)除鐵元素外，還有硅、鋁、硫、磷、鎂、錳等。河南省有關(guān)部門按照《礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測管理辦法》規(guī)定，分別設(shè)立了省級、市級、縣級的礦山監(jiān)測機構(gòu)。同時，根據(jù)河南省整體地質(zhì)礦產(chǎn)資源的開采分布和礦山地質(zhì)環(huán)境的發(fā)育及其危害程度來進行礦山類別劃分。作業(yè)單位為獲取A 礦山的傾斜影像數(shù)據(jù)，提出要發(fā)揮無人機多角度、多鏡頭、精度高、多分辨率的優(yōu)勢。提前組建專業(yè)技術(shù)小組，由小組人員操作搭載了五鏡頭的傾斜攝影無人機使其按提前制定的航線飛行，并多個方位獲取A 礦山相關(guān)影像。將所獲影像進行預(yù)處理等內(nèi)業(yè)處理后再構(gòu)建實景三維模型，便實現(xiàn)礦山監(jiān)測信息的智慧化顯示。

3.2 無人機傾斜攝影測量流程

無人機傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用流程如圖2 所示。

圖2 無人機傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用流程

3.2.1 測量前的設(shè)備參數(shù)設(shè)定

此次以河南省A 礦山為測繪對象，該礦山地理條件相對復(fù)雜，且現(xiàn)場地勢陡峭，部分區(qū)域存在危險性，地質(zhì)環(huán)境差異大。將A 礦山劃分為10 個測繪區(qū)域，提前準備好無人機傾斜攝影測量設(shè)備，選用飛馬D200 四旋翼無人機傾斜攝影系統(tǒng)，包括飛行器、DOP300 傾斜航拍攝相機和雙頻GPS 導(dǎo)航模塊。設(shè)備荷載重量為3 kg，續(xù)航時間在1.5 h，飛行高度為400 m[4]。該系統(tǒng)攝像機分辨率高、覆蓋范圍較廣，攝影相機的總像素大于1 億，重量1.66 kg，選擇在晴朗無風(fēng)條件下飛行。

3.2.2 礦區(qū)考察與航線制定

借助無人機傾斜攝影技術(shù)來實現(xiàn)對礦山監(jiān)測工作的前提條件就是制定科學(xué)合理的飛行航線以此實現(xiàn)對A 礦區(qū)的全面化覆蓋，避免出現(xiàn)遺漏從而影響到后續(xù)礦山開采及監(jiān)管等工作。另外，在決定進行礦山監(jiān)測前要強化考察。首先，相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員要利用通用勘察設(shè)備對河南省A 礦山的實際位置、地形、地質(zhì)條件及周圍環(huán)境等有大致的了解，分析可能存在的影響因素，如地質(zhì)地貌、氣候等，并決定無人機攝影的場所及需要的設(shè)備。其次，在制定無人機飛行航線時除了要考慮到符合A 礦山的實際條件，也要結(jié)合數(shù)字地球的影響，實現(xiàn)兩者兼顧。A 礦山航線設(shè)計相對高度為181 m，影像地面分辨率為3 cm，航向重疊度約80.0%，共拍攝了約2597 張影像資料。

3.2.3 布設(shè)像控點與攝影

為確保實現(xiàn)礦山監(jiān)測的目標，需要由技術(shù)人員合理布設(shè)像控點，以保障監(jiān)測環(huán)節(jié)中能充分施展無人機傾斜攝影的功能。在布設(shè)階段相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合實地考察環(huán)節(jié)來合理布設(shè)，并結(jié)合無人機設(shè)備參數(shù)和性能來制定像控點布設(shè)方案，包括像控點的位置、數(shù)量、間隔距離等，確保能實現(xiàn)對A 礦山的全面覆蓋的同時也能滿足無人機飛行時的軌道，從而保障礦山監(jiān)測質(zhì)量。在實際航拍時一方面要考慮到天氣的影響，尤其主動避開各種惡劣天氣；要考慮到無人機的起飛和降落地點，盡可能選擇在地勢比較平坦且范圍較大的場地來起降，防止無人機不慎因外界作用而損傷。設(shè)置應(yīng)急方案，在可能出現(xiàn)的緊急情況下進行手動操作[5]。攝影要從多個角度來捕捉圖像，根據(jù)相機檢校文件提供內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變校正參數(shù)來提升攝影質(zhì)量。此外，將選定的傾斜圖像投影到創(chuàng)建的虛擬圖像，以免土壤產(chǎn)生的陰影可能影響到攝影圖像，導(dǎo)致對A 礦山的監(jiān)測結(jié)果造成不利影響。

3.2.4 圖像采集與整理

無人機傾斜攝影后得到的數(shù)據(jù)屬于最為原始的資料，無法從中獲取關(guān)于A 礦山監(jiān)測所需的深層信息，需要由專業(yè)技術(shù)人員整理分析。在收到無人機傾斜攝影資料后由地勤人員來核對實施傳輸?shù)挠绊懀瑯俗⒊隹赡艽嬖诘闹丿B度不足、影像丟失、重點區(qū)域信息漏洞等問題，并及時將意見反饋給無人機傾斜攝影負責(zé)人員要求補拍，確保影像完整性；整理所拍攝的A 礦山信息后，相關(guān)技術(shù)人員開始運用如Smart3D、ArcGIS 軟件處理，獲取A 礦山的DOM 和DEM 數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)信息和以往所整理出的信息對比，掌握其中的變化從而實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。

3.2.5 三維模型構(gòu)建

內(nèi)業(yè)要對獲取的影像照片進行預(yù)處理，并構(gòu)建三維模型。Context Capture 構(gòu)建三維模型，運用數(shù)據(jù)分塊、點云匹配、TIN 構(gòu)建、紋理貼圖等功能，隨后用修模軟件DP-Modeler 來檢查修飾，若不合格要繼續(xù)修改，直至完成三維模型成果，相關(guān)流程如圖3 所示。關(guān)于質(zhì)量模型檢查主要從空三報告、控制點報告、檢查點報告上著手，對比實際坐標和模型坐標并統(tǒng)計其高程誤差。

圖3 三維模型構(gòu)建

3.3 礦山開采邊坡監(jiān)測

邊坡開采對于礦山工作有著極為重要的影響，需要將該環(huán)節(jié)納入到礦山監(jiān)測的重點環(huán)節(jié)中。邊坡角度通常要控制在40° ～60°間，但隨著時間推移、人工開采等因素的影響，都可能加大邊坡問題。A 礦山屬于露天礦山，為評估邊坡角度是否穩(wěn)定，礦山施工是否安全，可積極應(yīng)用無人機傾斜攝影測量技術(shù)。無人機傾斜攝影后能獲取數(shù)字高程模型DEM，實現(xiàn)對A 礦山邊坡的有效監(jiān)測，保障監(jiān)測質(zhì)量的同時還能減少人工成本的投入。

3.4 礦山儲量變化監(jiān)測

A 礦山的開采和發(fā)展中，關(guān)于其儲量和變化程度是不可缺少的判斷標準，是礦山管理部門進行監(jiān)測的重要指標。將無人機傾斜攝影測量應(yīng)用到對礦山儲量變化的監(jiān)測中效果突出，它能通過每期DOM、實景三維模型進行非常直觀的橫向?qū)Ρ确治觯尡O(jiān)管人員能清楚地了解不同時間段內(nèi)的儲量變化數(shù)據(jù)，便于礦山管理部門能第一時間掌握到A 礦山的相關(guān)信息并結(jié)合實際制定開采計劃，利于促進礦產(chǎn)行業(yè)發(fā)展。

3.5 礦山監(jiān)測成果展示

為了便于當(dāng)?shù)氐牡V山管理部門能圍繞A 礦山進行實時監(jiān)管并做好決策部署，基于B/S 構(gòu)架搭建礦山開挖自然監(jiān)測系統(tǒng)，并支持成果導(dǎo)入[6]。首先，該系統(tǒng)能便于礦山管理人員24 h 的登錄與瀏覽，及時導(dǎo)入無人機傾斜攝影測量資料和礦山設(shè)計資料，并能將所測定出的數(shù)據(jù)進行分屏顯示，清晰地注明距離、高度、面積等數(shù)值。其次，實景三維模型與視頻監(jiān)控聯(lián)合能實現(xiàn)對A 礦山動態(tài)化監(jiān)控。該系統(tǒng)平臺可調(diào)用視頻接口，獲取視頻傳感器回傳相關(guān)信息來了解礦山開采的實時狀況，以防止出現(xiàn)超界開采的問題，還便于礦山監(jiān)管人員監(jiān)測進度和質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，礦山是重要的礦產(chǎn)資源但因礦產(chǎn)開采本身存在著工程量大、技術(shù)難度高的特點，再加之地質(zhì)復(fù)雜多樣，為避免在開采環(huán)節(jié)發(fā)生各種問題，就需要利用現(xiàn)代科技技術(shù)來從礦山監(jiān)測上提供支撐。礦山監(jiān)測是針對礦山工作的整體監(jiān)督任務(wù)，它能很大程度上保障開采的效率和安全性。隨著科技發(fā)展，無人機傾斜攝影測量開始被應(yīng)用到礦山監(jiān)測環(huán)節(jié)中，和傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，其優(yōu)勢突出。此次以河南省A 礦山的無人機傾斜攝影監(jiān)測為案例研究，相信通過運用該技術(shù)后能有效保障礦山監(jiān)測工作質(zhì)量，并推動我國礦產(chǎn)行業(yè)積極向好發(fā)展。