基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法研究

摘" 要：傳統(tǒng)礦山儲量核查方法更多是采用人工實(shí)地測量和地質(zhì)勘探法，導(dǎo)致核查結(jié)果并不準(zhǔn)確。針對上述問題，提出了基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法，選擇五鏡頭六旋翼無人機(jī)開展傾斜攝影，從多角度捕捉礦區(qū)信息后優(yōu)化數(shù)據(jù)建立三維模型，并將三維模型通過坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)從而進(jìn)行礦山儲量平面圖的繪制，最后使用幾何圖形法與算術(shù)平均法計(jì)算出全部礦山儲量并與原有礦山儲量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)礦山儲量核查。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過與其他兩種礦山儲量核查方法進(jìn)行對比，得出基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法的儲量計(jì)算偏差僅為0.32 kt，另兩種方法的偏差分別為146.57 kt和94.08 kt，說明該方法最為準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)攝影" 礦山儲量核查" 礦山儲量" 核查方法" 儲量核查

中圖分類號：P231

Mine Reserve Verification Method Based on UAV Oblique Photography

MA Zhiguo" ZHAO Mingxuan

1.Zhongjin Environmental Technology Co.， Ltd.;2.Shanxi Huaye Survey Engineering Technology Co.， Ltd.，

Taiyuan， Shanxi Province， 030032 China

Abstract： The traditional method of verification of mine reserves is primarily relies on manual field measurement and geological exploration methods， which leads to inaccurate verification results. In order to solve the above problems， a mine reserve verification method based on UAV oblique photography was proposed， a five-lens six-rotor UAV was selected to carry out oblique photography， a three-dimensional model was established after capturing the mining area information from multiple angles， and the three-dimensional model was converted into two-dimensional coordinates through coordinate transformation and conversion matrix to draw the mine reserve plan， and finally all mine reserves were calculated by using the geometric figure method and the arithmetic average method and compared with the original mine reserve data to realize the mine reserves verification. In the course of the experiment， by comparing with the other two mine reserve verification methods， it is concluded that the reserve calculation deviation of the mine reserve verification method based on UAV oblique photography is only 0.32 kt， and the deviations of the other two methods are 146.57 kt and 94.08 kt， respectively， indicating that this method is the most accurate.

Key Words： Drone photography; Verification of mine reserves; Mine reserves; Verification methods; Verification of reserves

在礦山資源開發(fā)與管理的領(lǐng)域中，礦山儲量的準(zhǔn)確核查一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的礦山儲量核查方法往往依賴于人工實(shí)地測量和地質(zhì)勘探，不僅工作量大、耗時(shí)久，而且易受地質(zhì)條件和人員經(jīng)驗(yàn)的限制，導(dǎo)致核查結(jié)果存在較大的誤差和不確定性。在國內(nèi)外，針對礦山儲量核查方法的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。歐陽宇佳等人[1]提出了基于紅外熱像儀的礦山儲量核查方法，通過紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器及電子處理系統(tǒng)，將表面紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像，可以觀察到被測目標(biāo)的整體分布狀況，從而進(jìn)行下一步工作的判斷。焦曉林等人[2]提出了基于無人機(jī)航拍圖斑的礦山儲量核查方法，通過無人機(jī)航拍獲取礦山區(qū)域的高清影像，并根據(jù)圖斑的巖石類型、礦體分布和開采區(qū)域等信息，結(jié)合地質(zhì)資料和采礦經(jīng)驗(yàn)，對礦山的儲量進(jìn)行評估。隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)為礦山儲量核查提供了新的解決方案。該技術(shù)通過搭載在無人機(jī)上的多鏡頭相機(jī)，能夠同時(shí)從多個(gè)角度拍攝地面物體，獲取豐富的三維空間信息。這種非接觸式的測量方式不僅大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率，還能夠減少人員工作強(qiáng)度和降低安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，傾斜攝影技術(shù)還能夠快速生成高分辨率的三維模型，為礦山儲量核查提供了直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[3]。本文旨在探討基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法，探討其在礦山儲量核查中的實(shí)際應(yīng)用效果。同時(shí)，本研究也具有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義，能夠?yàn)闊o人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益的參考和借鑒。

1" 基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法設(shè)計(jì)

1.1" 使用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維建模

本文選擇五鏡頭六旋翼無人機(jī)開展傾斜攝影，通過其搭載的5個(gè)不同位置的航測攝像頭，可以多方面拍攝礦區(qū)位置和狀態(tài)的詳細(xì)信息。該無人機(jī)具有多角度自動調(diào)節(jié)的鏡頭，可靈活適應(yīng)不同攝影環(huán)境，使得各曝光點(diǎn)可以拍攝到同一地物的不同角度影像，由此構(gòu)造出更為真實(shí)、可量測的三維空間模型[4]。構(gòu)造三維模型過程如下：無人機(jī)通過傾斜攝影對礦體輪廓線進(jìn)行采集并利用輪廓線構(gòu)造礦體面模型；將礦體面模型經(jīng)過平滑處理后得到平滑后的礦體模型，之后通過礦體三維可視化模型即可得到礦體三維模型。由于無人機(jī)在攝影過程中會受到風(fēng)速和無人機(jī)飛行速度等影響，導(dǎo)致上述構(gòu)建出的礦體三維模型不夠精準(zhǔn)，于是還需要對上述模型進(jìn)行手工編輯和優(yōu)化，修正可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤或不精確之處。具體過程如下：

式（1）中：表示像點(diǎn)移位量；表示無人機(jī)飛行速度；表示曝光時(shí)間；表示相機(jī)焦距；表示飛行高度。經(jīng)過上述過程，可對不清晰的影像進(jìn)行清晰化處理，獲取影像中的三維空間坐標(biāo)。根據(jù)三維空間坐標(biāo)即可得到精確的空間距離，設(shè)空間中任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為和，則計(jì)算公式如下：

式（2）中，為空間中任意兩點(diǎn)之間的距離。根據(jù)上述過程對三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理，增加細(xì)節(jié)或進(jìn)行簡化，使其更加精確。至此，使用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維建模過程結(jié)束。

1.2" 繪制礦山儲量平面圖

仔細(xì)審查上述過程構(gòu)建的三維模型，了解礦山的整體結(jié)構(gòu)、地層、巖性以及可能的礦化區(qū)域。識別礦體的形狀、大小和位置，并確定其與其他地質(zhì)特征的關(guān)系。在將三維模型轉(zhuǎn)化為二維平面圖時(shí)，需要對坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，該步驟中的提取函數(shù)如下：

式（3）中：表示三維模型坐標(biāo)點(diǎn)；表示提取系數(shù)；表示斜率。將數(shù)據(jù)提取出來之后，使用透視投影通過轉(zhuǎn)換矩陣，將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)，具體過程如下：

式（4）中為中點(diǎn)坐標(biāo)值。為了去除，可引入一個(gè)維度w，通常該維度的大小只有1或0。因此可以考慮利用第四個(gè)維度來存儲額外的，以達(dá)到轉(zhuǎn)換矩陣與坐標(biāo)無關(guān)的目的。寫成矩陣形式為：

式（5）中，和為兩個(gè)待定參數(shù)。對于投影面來說，x軸和y軸的值確定了物體投影后的位置，z軸的值代表了物體的遠(yuǎn)近信息，因此z軸的數(shù)值本身并無任何意義，只要轉(zhuǎn)換過后能夠保持原有的順序即可。因此矩陣中的，和可根據(jù)計(jì)算方便來選取，因此矩陣第三行前兩列都為0。后續(xù)在處理時(shí)只需將坐標(biāo)統(tǒng)一除以即可得到所需的投影坐標(biāo)值[5]。按照上述步驟進(jìn)行處理，并根據(jù)最后得到的投影坐標(biāo)值即可繪制礦山儲量平面圖。在繪制過程中使用漸變色表示高度與深度的變化，使用不同符號表示不同類型的礦體。綜上，繪制礦山儲量平面圖的過程全部完成。

1.3" 計(jì)算礦山儲量

礦體圈定是在礦山儲量平面圖上將礦體的邊界線上圈定起來，并按照該礦體的控制范圍和開采程度制定儲量等級界限[6]。確認(rèn)礦體邊界時(shí)，依據(jù)礦體性質(zhì)和勘探項(xiàng)目的具體狀況來選擇儲量計(jì)算方法。公式如下：

式（6）中：表示礦體體積；、、分別為礦體的長、寬和高；表示礦體儲量；表示礦體密度。對于勘探工程揭露的礦體，可通過算術(shù)平均法計(jì)算出平均厚度和品位等參數(shù)后得出礦體儲量。具體公式如下：

式（7）中：表示平均厚度；表示礦體斷面面積；表示品位。通過上述方法計(jì)算出礦體儲量之后，將其與原有的礦體儲量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對礦山儲量的核查。綜上，基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法全部設(shè)計(jì)完成。

2" 實(shí)驗(yàn)測試

設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法為方法一，基于紅外熱像儀的礦山儲量核查方法為方法二，基于無人機(jī)航拍圖斑的礦山儲量核查方法為方法三。為了對比3種方法對礦山儲量核查的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具體如下。

2.1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選擇在試驗(yàn)區(qū)礦山進(jìn)行。該礦山地面標(biāo)高30～45 m，山體海拔高一般70～150 m。收集該礦山區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)。從時(shí)間的維度考量，數(shù)據(jù)可分為兩大類：原始勘探數(shù)據(jù)與開采動態(tài)數(shù)據(jù)。原始勘探數(shù)據(jù)，即礦山開采前的核心資料，涵蓋了勘探和儲量評估的詳細(xì)信息；而開采動態(tài)數(shù)據(jù)，則是礦山開采過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在儲量計(jì)算的過程中，礦體范圍的圈定至關(guān)重要。本次計(jì)算依據(jù)采礦權(quán)證所規(guī)定的范圍，精確劃定計(jì)算儲量的范圍，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。具體范圍如圖1所示。

本次僅計(jì)算-150～-650 m之間的礦量。其中，-200～-450 m為證內(nèi)礦山儲量，-450 m以下為證外礦山儲量。

2.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

具體的礦山儲量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：方法一的偏差值極小，可以忽略不計(jì)；方法二的偏差率為0.471%；方法三的偏差率為0.302%。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法最為準(zhǔn)確。

3" 結(jié)語

本研究通過引入無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，為礦山儲量核查提供了一種全新的解決方案。通過三維模型的構(gòu)建，能夠更加直觀地掌握礦山的實(shí)際情況，為礦山資源管理提供了有力的數(shù)據(jù)支持。此外，本研究還探索了無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的處理與分析方法，為類似領(lǐng)域的研究提供了有益的參考。然而，本研究也存在不足。無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集過程中受到天氣、地形等自然條件的限制，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不完整或失真。針對以上不足，未來的研究可以進(jìn)一步完善無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理方法，提高數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。總之，基于無人機(jī)傾斜攝影的礦山儲量核查方法具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的研究意義。

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