无人机摄影测量技术在新疆矿山储量动态监测中的应用

2015-12-11杨青山范彬彬魏显龙许正鹏

测绘通报 2015年5期

杨青山，范彬彬，魏显龙，包琦，许正鹏，喻帆

(1.巴音郭楞蒙古自治州国土资源勘测规划设计院，新疆库尔勒841000;2.新疆巴州国源测绘规划中心，新疆库尔勒841000)

一、概述

1.项目背景

矿产资源是新疆的优势资源和经济发展的基础，对矿产资源的综合开发利用是新疆经济得以崛起的重要依托［1］。资源的有效开发与管理已成为矿产相关部门的主要工作职责。但是，由于利益的驱使，使得一些单位、一些企业无视政府部门的政策和法规，乱采国家资源，造成国家资源的浪费。因此相关部门正在引进新的技术手段加以管理［2］。无人机摄影测量技术具有灵活、操作简单等优势，因而在国民经济的许多行业得以大显身手。为此，结合矿山测量的需求，将无人机摄影测量技术早日应用于新疆矿山储量动态监测中具有较强的必要性［3］。

2.项目意义

新疆矿山数量巨大，并且矿山多在偏僻地区，地形复杂，自然状况恶劣，传统的矿山监测方式测量难度大、周期长，无法满足当今矿山储量动态变化监测对地理数据不断更新的要求［4］。无人机摄影测量在空中完成对地面的拍摄，受地形限制较小，大大减少了野外工作量和工作难度［5-6］。同时，无人机飞行的相对航高较低，一般在1000 m以内，其携带的高分辨率数码相机可获取厘米级分辨率的原始数据，可以满足各种比例尺影像成图的要求［7-8］。此外，无人机飞行对起落场地选择的要求较低，因此，只要天气状况良好，就可以保证数据采集的及时性和连续性［9］。最后，通过内业处理可快速获得测区高精度的数字正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)，数据时效性强，能够实现空中监视、无人到达目标区可以取证的效果，这样即可以有效地实现监管，有力地打击违法开采资源的活动［10］。与其他技术手段相比，无人机摄影测量技术是一种高性价比的数据获取方法，尤其对于小范围地区的高分辨率遥感影像快速获取，这种技术经济效益高、推广价值大［11］。

二、研究区概况

本次项目选择了地形、生产类型和年开采量都有较大差异的新疆尉犁县哈拉洪军嫂砂石料矿(以下简称军嫂矿)和新疆焉耆县五洲四号砖厂砖瓦用黏土矿(以下简称五洲四号矿)作为研究对象，讨论无人机在新疆矿山储量动态监测中的应用前景。研究区概况叙述如下。

1.军嫂矿

军嫂矿位于尉犁县城东北方位。矿区地理坐标为东经:86°19'16″—86°21'2″;北纬:41°30'6″—41°31'24″。该矿为露天建筑用沙矿，矿区面积0.471 km2，年生产规模 1.8 万 m3，开采标高 920 ～900.7 m。

2.五洲四号矿

五洲四号矿位于焉耆县腾达建材有限责任公司王府砖厂黏土矿以西约30 m处。矿区地理坐标为东经:86°17'36″—86°19'27″;北纬:41°50'30″—41°51'42″。

三、无人机数据的获取和处理

1.航摄方案

采用交叉航线的方式进行航拍，相机拍摄的原片保持航带内80%重叠，航带间60%重叠，获取的真彩色相片分辨率为0.06 m。

2.控制测量

采用野外铺地标点的方式进行控制测量，地标点直径为1 m。在测区的四周和中央共布置5个控制点，大大减少了野外工作量。

3.空三加密

通过光束法空中三角测量进行，由外业提供控制测量结果，内业解算定向点的平面坐标和高程值。

4.生成DEM和DOM

空三加密完成后，基于空三加密成果，密集匹配点云，生成测区0.3 m格网间距的三维点云文件，依据点云文件生成测区1∶1000的DEM。根据外方位元素和DEM逐一对每个像对进行数字微分纠正得到DOM，不同像对的DOM经镶嵌、图廓裁切、色彩平衡处理、图廓整饰等步骤，生成项目区1∶1000的DOM。

5.DOM和DEM质量检查

基于DEM和DOM进行矿山动用储量监测前，需对其精度进行系统的检验，以确认生成的DEM和DOM质量符合精度要求。分别在军嫂矿和五洲四号矿测区随机布设26个和28个野外检查点，用于检验无人机生成的DOM和DEM数据质量。

经检验，军嫂矿和五洲四号矿DOM检验点平面中误差分别为0.10 m和0.09 m;两个测区检测点平面中误差均 100%小于限差 0.40 m［12］。

军嫂矿和五洲四号矿DEM检验点高程中误差分别为0.14 m和0.16 m;两个测区检测点高程误差均 100%小于限差 0.33 m［12］。

四、无人机数据矿山动用储量监测

本次项目选择两个矿区中矿坑边缘清晰具备广泛代表性的军嫂矿的2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑作为监测对象。

1.矿坑上底面的确定

开采前矿坑原始状况为自然地貌，其地形可近似为一个平面。因此本次计算假定两个矿坑的上底面为矿坑边缘测量高程点的均值。其中军嫂矿2012年1号采坑上底面高程为906.73 m，五洲四号矿7号采坑上底面高程为1 082.62 m。

2.矿坑下底面的确定

如上文所述，军嫂矿和五洲四号矿无人机生成的DEM的高程中误差分别为0.14 m和0.16 m，均符合1∶1000 DEM的高程精度要求，可作为无人机矿产监测的下底面。两个矿坑的DEM如图1所示。

图1

3.动用储量计算

用ArcGIS Desktop分别创建分辨率0.1 m、高程906.73 m和1 082.62 m的栅格图层，并用矿坑边界将其裁剪为和下底面一致的区域作为计算的上底面。运用ArcGIS Desktop的栅格代数运算器将上底面减去下底面，得到上顶面和下底面的差值。用ArcGIS Desktop的栅格区域统计工具对差值面的各项参数进行统计，其中军嫂矿的2012年1号采坑动用储量为7 084.81 m3，五洲四号矿7号采坑动用储量为 71 209.45 m3。

五、GPS RTK矿山地质测量

为评估无人机摄影测量技术在新疆矿山储量动态监测中的适用性，对军嫂矿2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑用传统的测量手段进行动用储量监测。将传统测量方法的结果与无人机测量的结果进行对比，对无人机矿产监测做出客观的评估。

1.工作量及质量评述

量测点空间分布如图2所示，军嫂矿2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑的测量点密度分别达到了12 m2/个和10 m2/个。之后进行了野外资料的计算、各种图件的编制及报告编写工作。完成主要工作量见表1。

表1 主要工作量统计表

图2 量测点空间分布

本次监测开展的野外、室内工作严格按照相关规范要求进行作业，工作结束后全部资料进行了100%的自检，上述工作方法、质量均符合动态监测要求。

2.资源储量估算方法

资源储量计算公式为

式中，Q为资源储量，单位为m3;S为采坑面积，单位为m2;H为平均采深，单位为m。

对采坑内高差较大的土包单独计算面积。

3.资源储量估算参数的确定

(1)采坑面积

采坑面积在1∶1000资源储量估算图上用南方CASS2008成图系统软件直接求得。

(2)平均采深

采坑平均采深是各测量点所测定的采坑顶、底高程之差的算术平均值，其中军嫂矿2012年1号采坑为0.78 m，五洲四号矿7号采坑为7.3 m。

(3)体积

军嫂矿2012年一号采坑体积为7 577.36 m3，五洲四号矿七号采坑体积为71 301.01 m3。

六、无人机摄影测量技术矿山储量动态监测可行性分析

本文从精度和效率两个方面讨论无人机摄影测量技术在新疆矿山储量动态监测中的适用性。

1.精度分析

表2为无人机方式和传统测量方式对军嫂矿2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑储量变化结果的统计表。以传统测量方式获得结果为真值，其偏差量为传统测量所得结果减去无人机摄影测量结果;相对误差为偏差量除以传统测量所得结果。由表可得两个矿区的动用储量变化结果相对误差分别为6.50%和0.12%，相对误差均优于10%，尤其是五洲四号矿7号采坑无人机监测结果的相对误差优于1%。军嫂矿2012年1号采坑相对误差较大，分析原因在于矿坑中存在着多处堆积，传统测量方法计算堆积时按照规则锥体进行计算，传统测量方法是12 m2/个点和10 m2/个点，而无人机摄影测量对矿坑进行逐像素测量，1 m2/100个点，拟合了完整的矿坑表面，生成分辨率为 0.1 m的 DEM，基于DEM计算开采量，结果更加准确，导致两种测量方式的结果存在偏差。

表2 无人机方式与传统方式矿产监测结果统计表

2.效率统计

表3为无人机摄影测量方式和传统测量方式对军嫂矿进行矿产监测所需时间的统计表。军嫂矿面积0.471 km2，无人机摄影测量方式共布置5个像控点，交叉航拍获取2400万像素地面分辨率为0.06 m的原始照片220张，制作测区DOM和DEM1.2 km2，完成测区矿产监测内外业共需16 h(其中外业4 h，内业12 h)。使用传统方式对军嫂矿进行矿产监测时按1∶1000测地形图的方式进行密集测点(每间隔30 m测量一个点)，完成矿产监测共需要42 h(其中外业35 h，内业7 h)。使用无人机摄影测量方式所需时间约是传统测量方式的1/3，外业所需时间约是传统测量方式外业所需时间的1/9，大大减少了外业工作量，降低了工作难度，提高了生产效率。同时无人机摄影测量几乎不受地形的限制，而传统测量方式在地形复杂的矿区效率会大大降低，甚至出现部分点无法完成测量的情况。

表3 无人机方式与传统方式矿产监测所需时间统计表 h

七、结论

通过对矿山无人机监测项目实施情况的整体分析，综合运用地理空间分析和区域统计的方法分别对军嫂矿2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑进行储量动态变化评估，同时采用传统矿山测量的方法评估了这两个矿坑的动用储量，得出的主要结论如下:

1)无人机矿山储量动态监测具有较好的可信度。军嫂矿2012年1号采坑和五洲四号矿7号采坑无人机矿山监测结果与传统测量矿山监测结果相对误差分别为6.50%和0.12%，均优于10%，可信度较高。

2)无人机摄影测量技术具有较高的机动灵活性，受地形限制小，能够避免因地形复杂无法完成测量而产生盲区，大大降低了外业工作的劳动量和难度，完成矿产测量所需时间约是传统测量方式的1/3，外业工作时间是传统测量方式外业工作时间的1/9，大大减少了外业工作量，提高了生产效率，能够在矿产储量变化监测这种小区域、低空领域充分发挥其优势。

3)无人机数据可以通过空三加密，在只测量少量控制点的情况下，获得分辨率为0.1 m的DOM和DEM，相当于每0.1 m进行一次测量;而传统的测量方式大比例尺测图约30 m测量一个点，因此无人机工作效率更高且精度更可靠。

4)相比于传统的矿山测量方式，无人机摄影测量可以获取现场真实可靠的影像数据DOM和DEM，数据的真实性不容更改，可有效避免擅自更改数据，造成评估结果失实，严重损害国家和公众利益的情况。可对各类矿业活动一目了然，使越界开采、无证开采和超量开采等违规行为无处藏身，对各种违法采矿活动具有较强的威慑作用。

5)只需在每年矿山开始施工前，完成一次摄影测量，通过GIS空间分析手段将所得无人机遥感数据与上年施工前的无人机遥感数据对比分析，即可对每年矿山储量进行全面的动态监测，且精度可靠，能够及时为有关部门管理矿产开采提供执法依据和技术支撑，使得矿产开采更加有序。

6)新疆矿产资源丰富，资源的有效开发与管理有着极大的意义，基于无人机矿山储量动态监测的特点，可以预见无人机矿山储量动态监测有很大的利用空间，而对它的开发和应用也是势在必行。

［1］尚红英，陈建平，李成尊，等.RS在矿山动态监测中的应用——以新疆稀有金属矿集区为例［J］.遥感技术与应用，2008，23(2):189-194.

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［5］薛永安，王晓丽，张丽媚.无人机航摄系统快速测绘矿区大比例尺地形图［J］.测绘地理信息，2013，38(2):46-48.

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