礦山地質(zhì)測繪新技術的應用研究

郭志明

（山西華陽集團新能股份有限公司二礦，山西 陽泉 045008）

山西華陽集團新能股份有限公司二礦在開采過程中需要對煤礦的開采進度、越界開采情況等進行實時監(jiān)測，以提高對礦山開采進度和安全性的把控能力。該礦周邊區(qū)域存在一個約153 872.4 m2的施工區(qū)域，標高在18.4～22.5 m 之間，地形情況較為復雜，目前對礦山開采進度的監(jiān)測主要采用了人工利用全站儀、經(jīng)緯儀等方式測繪，然后再人工標定的方法，不僅效率極低而且實時性差，難以滿足對礦山開采過程中的快速、精確監(jiān)測需求。

項目組提出了一種基于無人機的礦山地質(zhì)測繪技術方案，通過無人機攝像技術對礦區(qū)地質(zhì)進行拍照，然后利用軟件自動對圖像進行邊界識別、變化情況對比，實現(xiàn)了對礦山地質(zhì)變化情況的自動監(jiān)測預警。根據(jù)實際應用表明，新的無人機測繪技術，能夠?qū)y繪效率提升24 倍以上。

1 無人機監(jiān)測方案分析

在利用無人機對礦山地質(zhì)情況進行監(jiān)測時，首先要確定無人機航空攝影的范圍及地面坐標點，然后根據(jù)所需要重點監(jiān)測的區(qū)域設計無人機的航拍路線，確保每個區(qū)域均在航拍攝影的鏡頭范圍內(nèi)。為了提高無人機攝影監(jiān)測的準確性，無人機航拍路線上的攝影鏡頭需要有一定的重復，保證每個點位都有5 張以上的攝影圖片，保證數(shù)據(jù)分析時準確性。

由于單一的攝影鏡頭會存在角度偏差，無法對監(jiān)測區(qū)域的地質(zhì)情況進行準確判斷，因此在無人機上，同時搭載了5 組攝像裝置，能夠從1 個垂直方向、4 個傾斜方向?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域進行航空測繪，通過多角度的對比分析，提高對監(jiān)測區(qū)域測繪的精確性，每張測繪圖片均包含了測繪高度、測繪角度等，便于在進行圖片提取和分析時的精確判斷。

數(shù)據(jù)分析階段，利用圖片識別數(shù)據(jù)生成DOM（文檔對象模型）和DSM（數(shù)字表面模型）數(shù)據(jù)信息[1]，實現(xiàn)對礦區(qū)地質(zhì)情況的快速判斷。圖1 中A、B、C、D 表示航空測量中的四個測量位置，1、2、3、4 表示被測區(qū)域的四個基準點。測量時對每個基準點均進行兩次以上的定位修正，提高定位精度[2]。

圖1 空三加密平差處理原理示意圖

2 無人機監(jiān)測系統(tǒng)應用流程分析

項目采用了華測P700E 無人機，搭載尼康D810 全畫幅相機，鏡頭采用35 mm 鏡頭，有效像素為 3600 萬。在進行航拍測繪時，根據(jù)旋翼無人機攝像裝置的實際攝影清晰度，選擇航拍的高度為200 m，拍攝時候的航線重疊度為65%，旁向重疊度設置為40%。航拍像控點布置時在其測點周圍設置了12 組平高控制點，這些控制點設置時需要保證50 張監(jiān)測照片中至少能有10 個監(jiān)控點，而且同一個監(jiān)控點至少需要出現(xiàn)兩次。

2.1 測量高度選擇

由于所選擇的無人機像素為3600 萬，測量區(qū)域的最大高差為44.6 m，為了獲取較為精確的測量結果，推薦航拍高度在測量區(qū)域最大高差的4 倍左右，因此選擇航拍高度為180 m。

2.2 測控點設置

為了確保在測量過程中測量重疊度超過65%，根據(jù)相機的監(jiān)測范圍，在區(qū)域內(nèi)設置了4 個測量航線，在每個航線上設置10 個測控點，用涂上紅色油漆的木樁標記，便于航拍無人機的快速對焦。

2.3 航拍時間選擇

為了確保航拍照片的精確性，航拍應選擇在天氣良好、微風的情況下進行，避免風力干擾使航空器抖動，影響航拍成像質(zhì)量，同時航拍時要避免向著太陽光飛行，減少陽光的干擾。

2.4 航拍信息解算

無人機獲取監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)后，利用PIX4Dmapper 建立監(jiān)測區(qū)域三維模型，然后利用未參與建?？刂泣c的模型和外界的RTK 測量坐標差值獲取測量區(qū)域的三維模型相關信息，其建模流程如圖2。

圖2 PIX4Dmapper 建模流程示意圖

在進行數(shù)學建模時，主要是根據(jù)坐標轉換方程來獲取監(jiān)測區(qū)域的高精度三維坐標方程，航空傾斜攝影坐標方程轉換方程如下[3]：

式中：f表示內(nèi)方位元素；X0、Y0表示外方位坐標元素；X、Y、Z表示測量基準點坐標；XS、YS、ZS表示測點方位坐標元素。對上式變換得正交矩陣如下，a、b、c為不同位置的方位修正值[4]：

根據(jù)正交矩陣，輸入各個外方位的坐標元素，將其導入到共線方程內(nèi)，即可獲取實際的地面三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對測繪區(qū)域土石方情況的精確測量。

3 礦山開采監(jiān)測應用

3.1 礦山開采剩余儲量監(jiān)測

對礦山開采量和剩余儲量的監(jiān)測，主要是對礦山開采情況進行實時監(jiān)測，便于判斷礦山的開挖量和礦山的剩余儲量，防止出現(xiàn)超挖、超采的情況。

對礦山開采體積和剩余礦產(chǎn)情況的監(jiān)測，主要是利用土石方開挖情況來計算的[5]。在監(jiān)測時，以礦權界限為基礎，通過對現(xiàn)階段的DSM 數(shù)據(jù)分析，按礦區(qū)內(nèi)的最大開采深度進行填挖分析。在分析中的填方體積就是礦山區(qū)域的開采體積，而剩余體積是指在礦區(qū)范圍內(nèi)，利用現(xiàn)有的DSM 數(shù)據(jù)[6]依據(jù)最大的開采深度進行填挖方分析，填挖方結果中的挖方體積就是礦山區(qū)域的剩余體積。最后再根據(jù)開采區(qū)域的礦石密度和礦石轉換率，即可實現(xiàn)對礦區(qū)開采量和剩余量的監(jiān)測，其算法流程如圖3[7]。

圖3 礦區(qū)開采剩余儲量監(jiān)測流程示意圖

3.2 礦山開采越界監(jiān)測

礦山的開采有嚴格的區(qū)域限制，當超出開采區(qū)域后不僅會嚴重影響周圍的環(huán)境，而且還會給周圍居民的生產(chǎn)、生活帶來嚴重的安全隱患。因此為了維護礦山采礦權的界限范圍，需要對礦山的開采區(qū)域進行嚴格監(jiān)測，避免出現(xiàn)偷挖、超挖的情況。

在對礦山進行越界開采監(jiān)測時，以礦山采礦權界限為基礎，向外側推移20 m 作為一個緩沖區(qū)域[8]。首先對該區(qū)域內(nèi)的DSM 數(shù)據(jù)進行分析，確定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)開采深度是否低于規(guī)定的最大開采高度。若該區(qū)域內(nèi)存在超過最大運行開采高度的情況，則判別該處出現(xiàn)了越界開采；或者在緩沖區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了土石方開挖情況，則同時判斷該區(qū)域出現(xiàn)了越界開采情況。礦山區(qū)域越界開采監(jiān)測流程如圖4[9]。

圖4 礦山開采范圍內(nèi)越界開采判斷流程示意圖

以越界開采監(jiān)測為例，其總區(qū)域面積為1 613 928.6 m2，按照傳統(tǒng)人工監(jiān)測的方式，每次越界監(jiān)測時，需要4 人配合，約6 h 才能完成，而采用新的基于無人機的礦山地質(zhì)測繪方案后，只需要1 個人，約1 h 即可完成對監(jiān)測區(qū)域的地質(zhì)測繪、圖像對比和數(shù)據(jù)分析。當確認可能存在越界開采的區(qū)域后，安排工作人員再進行一次現(xiàn)場復核即可。其整體的測繪效率是傳統(tǒng)人工測繪效率的約24 倍，具有測繪效率高、精確度好的優(yōu)點。礦山地質(zhì)測繪對比結果如圖5。

圖5 礦山地質(zhì)監(jiān)測對比結果

4 結論

礦山地質(zhì)測繪新技術的實際應用表明：

1）無人機測繪時，需要從1 個垂直方向、4 個傾斜方向?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域進行航空測繪，通過多角度的對比分析，提高對監(jiān)測區(qū)域測繪的精確性；

2）新的無人機礦山地質(zhì)測繪技術，能夠?qū)y繪效率提升24 倍以上，實現(xiàn)了礦山地質(zhì)變化的自動對比分析，具有測繪效率高、精確度好的優(yōu)點。