无人机航摄技术在露天矿山监测中的应用研究

谢意，易桂轩，梁焕青，范昆飞

(1.南宁市国土测绘地理信息中心，广西 南宁 530021； 2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

无人机航摄技术在露天矿山监测中的应用研究

谢意1*，易桂轩2，梁焕青1，范昆飞1

(1.南宁市国土测绘地理信息中心，广西 南宁 530021； 2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

以南宁市兴宁区五塘镇四平村三炮山砖用页岩矿和南宁市双秀石场为例，探讨无人机航摄技术在露天矿山动态监测中的适用性。首先使用全野外地形测量方式和无人机航摄方式分别对矿山进行测量，并以全野外实测成果对无人机航摄成果进行检查；然后利用两种测量方法的成果分别进行矿山储量计算；最后将无人机航摄与全野外地形测量的储量结果进行对比。研究结果表明：无人机航摄能够高效、全面地完成矿山测量及矿山储量的计算，可以应用于露天矿山储量动态监测中。

无人机；航空摄影测量；矿山监测

1 引 言

传统矿山监测主要采用的全野外测量方式(GPS-RTK或全站仪实测)对矿山进行测绘及储量计算。无人机航摄是近年来迅速发展的空间数据获取手段，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[1]。相比难度大、周期长的传统矿山测量方式，无人机遥感技术可快速对地质环境信息和过时的GIS数据库进行更新、修正和升级[2]。无人机所体现的低成本、高效率，且所获取的数据具有很强的现势性等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面有明显优势[3]，对数字矿山建设和矿山灾害应急等工作均具有重要的意义[4]。

为验证无人机航摄技术能否满足矿山测量及动态监测工作的要求，本文选取了地形区别较大的南宁市兴宁区五塘镇四平村三炮山砖用页岩矿(以下简称“三炮山矿区”)和南宁市双秀石场(以下简称“双秀石场”)作为试点区域，分别采用无人机航摄手段和传统全野外测量手段对矿区进行地形测量及储量计算，并对两种测量方式的测量成果及计算结果进行对比分析。

经试验分析，本文认为无人机航空摄影测量技术满足矿山地形测量及储量计算的要求，可以应用于南宁矿山动态监测工作当中。

2 研究区概况

2.1 三炮山矿区

三炮山矿区位于南宁市兴宁区五塘镇四平村，属山地地形，开采矿种为砖瓦用页岩，开采标高 +134.80 m～ +97.00 m。2.2 双秀石场

双秀石场位于南宁市双定镇秀山村陇埋坡，属高山地地形，开采矿种为建筑石料用灰岩，开采标高 +270 m～+180 m。

3 全野外矿山地形测量

3.1 矿山地形测量

利用CORS的网络RTK方式进行矿山地形测量，用户随时可以观测，使用方便，提高工作效率[5]。本文使用GPS-RTK接收机接入南宁市连续运行卫星综合服务系统(以下简称“NNCORS”)；该系统能够提供覆盖南宁市全市域范围内的厘米级坐标快速定位服务，可以获得精确的2000国家大地坐标。

3.2 高程转换

通过“南宁市测绘基准服务平台”(www.nncors.cn)提供的似大地水准面精化服务，将实测点坐标的高程值转换为1985国家高程。

3.3 地形图成图

地形图内业编辑在南方CASS 7.0软件下完成，根据《国家基本比例尺地形图图式第一部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图图式》对 1∶1 000比例尺地形图的测图要求，按CASS 7.0绘图软件自身编码系统对地物进行编码，不存在无编码的地物，线型连续，面状闭合，各项操作均能严格按照软件的要求执行。

4 无人机航摄数据获取与处理

4.1 无人机航摄生产技术流程

根据矿山测量及储量计算的工作要求，无人机航摄需要生产的产品包括数字高程模型DEM和数字正射影像DOM。生产流程如1图所示。

图1 无人机航摄生产技术流程图

4.2 像片控制点布设与测量

像片控制点布设采用区域网布点法，根据测区面积大小与地形地貌特征，在三炮山矿区共布设5个平高控制点，双秀石场布设6个平高控制点。

为确保坐标基准一致，无人机航摄像片控制点的测量采用与全野外地形测量相同的方式(CORS-RTK接入NNCORS)，测量成果通过南宁市测绘基准服务平台进行转换，使像控点高程成果转换为1985国家高程。4.3 原始航片采集

无人机低空航摄采用电动固定翼无人机，相机搭载倾斜航摄镜头组，配合 35 mm定焦镜头进行航摄。根据《低空数字航空摄影规范》相关要求[6]，考虑矿区地形起伏较大，宜提高航摄重叠度以避免出现航摄漏洞，故设置航向重叠度为75%，旁向重叠度为55%，地面分辨率 0.06 m。两个矿区的航摄区域均设置为 1 km2的矩形，确保在完全包含矿区范围的前提下同时对矿区周边区域进行航摄

完成无人机航摄任务设置后，需进行飞前检查，确认飞机和气象条件均满足航摄要求之后方可准备起飞。本次工作所用机型采用弹射起飞的方式，到达工作高度之后，根据地面站发出的任务指令进入航线，完成低空航摄工作并返航降落。

4.4 内业处理

由于无人机所携带的都是相机不是专业量测相机，镜头畸变较大，因此需在后期利用畸变改正参数通过计算机软件对航飞原始影像进行畸变修正。

内业加密采用无人机遥感数据处理软件的空三模块进行全数字空三加密，对野外测定的高程点、平面点进行核查和加密，为数据采集提供质量可靠的定向点。平差计算采用光束法区域网平差。

空三加密完成后，基于空三加密成果，智能匹配密集点云，生成测区 0.25 m格网间距的三维点云文件。对点云进行整体滤波，滤除匹配在建筑物、树木上等非地面的匹配，生成测区 1∶1 000的数字高程模型(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，得到数字正射影像(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，生成矿区 1∶1 000的DOM。

无人机航摄影像细节清晰，层次丰富，无明显模糊、重影和错位，航摄范围覆盖整个测区，真实客观地反映了矿山的开采现状。

4.5 质量检查

基于无人机航摄进行矿山储量动态监测需要使用DEM和DOM成果，必须对这两个成果进行精度检核，以确保其符合相关规范要求。

检查点按照均匀分布、覆盖整个测区的原则进行选点及测量。三炮山矿区和双秀石场选取的平面检查点数量分别为26个和20个，高程检查点数量均为100个。两个矿区选取的平面和高程检查点分布如图2所示。

图2 平面和高程检查点分布

(1)DOM平面位置精度检查

DOM平面位置精度检查采取外业实测特征点的方式，将检查点的平面位置坐标(Xi，Yi)输入计算机中，并由检查员在DOM上的提取同名像点坐标(xi，yi)，计算平面位置中误差是否符合相关标准规范要求。

对实测平面坐标与DOM地物特征点坐标的对比结果显示，三炮山矿区DOM的平面位置中误差为 ±0.23 m和 ±0.19 m，两者均小于《城市测量规范》对山地和高山地区域 1∶1000 DOM平面位置中误差的限差 0.75 m[7]。

(2)DEM高程精度检查

DEM高程精度检查是在平面位置精度检查符合相关标准规范要求的前提下，将实测的高程检查点(Xi，Yi，Zi)的平面坐标(Xi，Yi) 输入计算机，提取对应点位的DEM高程(Xi，Yi，Zi)，与实测高程对比并计算高程中误差。

对实测高程值与DEM格网高程的对比结果显示，三炮山矿区航摄所成DEM的高程中误差为 ±0.35 m，小于《城市测量规范》对山地区域 1∶1 000比例尺、精度等级为一级的DEM高程精度限差 1.20 m；双秀石场航摄所成DEM的高程中误差为 ±0.67 m，小于《城市测量规范》对高山地区域 1∶1 000比例尺、精度等级为一级的DEM高程精度限差 2.50 m[7]。

5 矿山储量计算

5.1 利用全野外实测成果进行矿山储量计算

南方CASS 7.0软件的方格网法是进行计算土方测量中常用的计算方法。对两个测区，根据地形图采用5 m×5 m划分方格网，将计算起始标高和自然地面标高分别标注在方格点的右上角和右下角，求出各点的高度(挖或填)，挖方为(+)、填方为(-)。

计算零点位置，将方格网中两端角点挖方高度符号不同的方格边上零点位置，标于方格网上，连接零点，即是填方(超挖)或挖方区的分界线。零点位置按下列公式计算：

x1=h2/(h1+h2)×α

x2=h2/(h1+h2)×α

式中：x1，x2—角点至零点的距离(m)；

h1，h2—相邻两点角的高程(m)；

α—方格网的边长(m)

按方格网底面图形和下表体积计算公式，计算每个方格网的挖方或填方量，在将所有方格计算土方汇总即得该矿区的挖方区和填方区的总土方量。采用方格网法计算得到的三炮山矿区和双秀石场的矿产资源储量分别为 99.3 949万m3和 181.448 3万m3。

5.2 利用无人机航摄成果进行矿山储量计算

在航摄DEM成果的基础上，使用矿区开采边界对DEM进行裁剪。在三炮山矿区，无越界超采情况存在，因此使用采矿权登记界线进行裁剪；而双秀石场现场开采范围超出原有登记界线，在此采用全野外实测得到的现状开采界线对DEM进行裁剪。得到裁剪过的DEM之后，使用ArcGIS for Desktop软件中的“表面体积”工具计算地表面DEM和参考平面(即开采标高平面)之间的体积。

三炮山矿区无越层超采的情况，计算时只需输入标高 97 m、计算条件ABOVE(上方)即可得到矿区现有储量 101.786 3万m3。三炮山矿区三维示意图如图3所示。

图3 三炮山储量计算示意图

双秀石场已发生越层开采，需要分别使用ABOVE和BELOW条件来计算 180 m标高之上和之下的储量，两者加和后，得到实际的矿产储量 189.944 9万m3。双秀石场三维示意图如图4所示。

图4 双秀石场储量计算示意图

5.3 储量计算结果对比

两个矿区不同测量方式计算储量得到的结果如表1所示，以全野外测量计算得到的结果为真值，则偏差量等于全野外测量计算结果减去无人机航摄计算结果，相对误差为偏差量除以全野外测量计算结果的绝对值。由该表可知，两个矿区储量计算结果相对误差分别为2.41%和4.68%，两者均优于5%，说明无人机航摄成果计算得到的矿山储量具有很高的可信性。

储量计算结果对比表 表1

6 结 论

本文通过无人机航摄和全野外测量对南宁市某矿区进行储量监测，对两种方式的实施过程、数据成果和计算结果进行对比分析，得出以下主要结论：

(1)无人机航摄数据成果具备可靠性，平面及高程中误差满足相关标准规范要求，可以用于矿山测量和储量计算工作当中。

(2)在南宁市兴宁区五塘镇四平村三炮山砖用页岩矿和南宁市双秀石场，无人机航摄与全野外地形测量两种成果采用同样的方法进行储量计算得到的结果相对误差分别为2.41%和4.68%，无人机航摄计算矿产储量的可信度较高。

(3)对全野外地形测量中人员无法到达、GPS信号不稳定的高边坡、陡坎、灌木林区，无人机航空摄影测量的方式可以全面覆盖。

(4)相比于传统的矿山测量方式，无人机航摄获取得到的高分辨率DOM可以与过往多期卫星影像、大飞机航摄影像以及地形数据进行叠加对比，其客观性强于全野外实测，可有效杜绝擅自更改数据成果从而造成年审评估结果失实的情况。

(5)本文对两种测量手段的测量成果均采取较为简便的计算方法进行储量计算，尚不能充分体现无人机航摄成果全覆盖、高分辨率的优越性；此外，为便于计算，未扣除边坡压占资源储量，未考虑回采率、损失率等因素。实际工作中，应充分利用航摄生产的数字高程模型，结合地质勘查成果，构建包含地表信息和地下信息的矿山三维模型，采用适用于特定矿区、特定矿产的储量计算方法，对露天矿山进行储量动态监测。

[1] 杨青山，范彬彬，魏显龙等. 无人机摄影测量技术在新疆矿山储量动态监测中的应用[J]. 测绘通报，2015(5)：91～94.

[2] 张太鹏，宋会传. 无人机技术在现代矿山测量中的应用探讨[J]. 矿山测量，2010(3)：44～46.

[3] 陈玲，潘伯鸣，曹黎云. 低空无人机航摄系统在四川地形测绘中的应用[J]. 城市勘测，2011(5)：75～77.

[4] 王有业. 无人机技术在数字矿山中的应用[J]. 山西焦煤科技，2012(12)：45～47.

[5] 梁朝钢，李军军，乔战伟. CORS系统与传统GPS测量在矿业权实地核查中的应用及对比分析[J]. 矿山测量，2010(6)：24～26.

[6] CH/Z 3005-2010. 低空数字航空摄影规范[S].

[7] CJJ/T8-2011. 城市测量规范[S].

Research on the Application of UAV Photogrammetry in Open-pit Mineral Monitoring

Xie Yi1，Yi Guixuan2，Liang Huanqing1，Fan Kunfei1

(1.Nanning Land Resources Center of Surveying，Mapping and Geoinformation，Nanning 530021，China； 2.Wuhan Geomatics Institution，Wuhan 420000，China)

This paper focus on the application of UAV photogrammetry in open-pit mineral monitoring，taking Sanpaoshan Brick Shale Mine and Shuangxiu Quarry，both located in Nanning city，for instance. First，use traditional survey in the field and UAV photogrammetry，and then bring the results by the two methods into mining reserves calculation procedure. Finally，the calculated reserves of both mining area are compared. We come to the conclusion that UAV photogrammetry，which is more efficient and more comprehensive，could be utilized in monitoring the surface mines.

UAV；photogrammetry；mineral monitoring

1672-8262(2017)02-114-04

P237

B

2016—09—21

谢意(1987—)，男，硕士，工程师，主要从事摄影测量与遥感等技术工作。