露天矿山监管中的无人机测绘技术应用研究

杜甘霖，叶 茂，刘玉珠，何淮林，刘亚克

(浙江省测绘大队，浙江 杭州 310030)

随着矿业经济发展和矿产资源的开发利用，矿产资源日常执法监察的任务日益繁重，矿山资源监管部门会定期对各矿区进行检查，包括边坡角是否超限、可绿化覆盖率是否满足要求，是否存在越界开采矿产资源、采用破坏性方式开采矿产资源等违法违规情形。各类矿产资源违法行为不断显现，呈现出多样性、复杂性，因此矿产资源执法监察工作对人员专业技术和业务知识的要求越来越高，单一的行政执法方式已不能满足实际执法监察工作的需要。

传统的巡查监管手段受客观因素影响较大，巡查力量分散。由于监管区存在占地面积大、地形复杂多变等特点，使得传统监管手段劳动强度大、监测周期长、精度不能保证。特别在露天矿边坡容易出现的滑坡裂隙地段，工作人员进入测区测量存在很大的安全隐患，所以在保证监测精度和效率的前提下，矿产资源监管需要一种较轻外业劳动强度、高精度高效的动态监管技术手段作为工作补充。无人机航测技术以其快速、高效、高精度等优势，可为矿产开发监管提供有力技术支撑。

1 测绘技术方法概况

近年来，测绘信息技术发展迅速，计算机技术、GNSS技术、地理信息技术、遥感技术等都为露天矿山监管提供了有力的技术支撑。目前，露天矿山监测以人工外业巡查和常规测绘为主要技术手段，主要包括：露天矿控制测量、碎部点测量、采场验收测量等。对于露天矿山，要对采场区域进行高程点采集，对于高程变化较大的地区适当加密。利用测绘高程数据可对露天矿进行边坡角监测、开采量计算，定期监测矿山采场稳定性和矿产储量变化[1]。常规测量需要人员进入矿区实施作业，测量精度较高，但是外业工作量大且存在一定安全风险。

无人机低空遥感采集数据覆盖面大，外业采集自动化程度高、效率高[2]。无人机航测数据主要是遥感数据，具有较高空间分辨率，同时时效性较强、测绘周期短。无人机测绘包括一般大比例尺航测、倾斜摄影三维建模等，其中倾斜摄影技术是近几年发展起来的低空摄影测量技术，该技术可对复杂场景进行大范围、高重叠度、高精度、高分辨率航摄，通过专业航测软件进行局域网联合平差、多视影像匹配等步骤处理，生成实景三维模型等成果数据，可直观反映地物的外形、位置、高度等属性信息，为高精度测绘提供保证，可视化效果极佳。无人机倾斜摄影测绘成果包括：数字高程模型(DEM)、数字线化图(DLG)、数字正射影像(DOM)、实景三维模型等，生成流程如图1所示。利用上述成果可高精度描述露天矿山的几何特征，全方位展示矿产资源利用现状，结合露天矿山矿产资源监管的需求，可进行数据深入分析研究。

2 监管应用研究

本研究从越界开采监测、开采量监测、边坡角监测和日常监管四方面需求入手。监管方法流程如图2所示，设计通过使用无人机测绘技术对露天矿山进行周期性无人机倾斜摄影测绘和常规测绘，通过监测成果计算矿区采矿量变化，并判断是否存在违规开采情况，再对照实测数据进行监测精度对比，检验无人机测绘监测方法的可行性。

在监测数据管理方面，项目以露天矿区为监测目标，建立三维全景虚拟野外地质信息系统。系统实现三维虚拟野外环境的漫游、量测等功能，提升地质信息的可视性和交互性[3]。

2.1 开采范围监测

根据矿区范围线适当外扩进行倾斜摄影航摄设计，在采矿区以外固定点布设像控点，根据监测时间节点进行航摄作业，经过航内步骤后，生产出高分辨率DOM。将采矿审批范围坐标展点并套合矿区DOM数据，通过人工解译，可初步判断矿区实际开采范围是否存在越界，如图3所示。通过DOM可直观判断出露天矿山越界开采情况，为外业巡查监督提供精准数据，提高工作效率。

图1 无人机倾斜摄影测绘技术路线Fig.1 UAV tilt mapping technical route

图2 监管方法流程图Fig.2 Flow chart of supervision methods

图3 红线套合监测示意图Fig.3 Overstep the boundary supervision

2.2 开采量监测

开采量监测是矿产资源监测重要工作之一。项目设计用倾斜摄影三维建模方法建立矿区实景三维模型。露天矿开采区裸露基本无植被覆盖，可方便得到矿区DEM数据，用于矿山体积量测(图4)。为了验证无人机航测法生产DEM的准确度，无人机航摄作业过程中，同时采用常规测绘方法对矿区进行测绘，得到DEM数据，并确保两种作业方法在同一采矿间歇期内完成。

将两种方法各2次的监测成果计算出的开采量与矿区实际开采量进行比较分析，判定无人机航测成果的精度相对于矿山矿产资源开发储量监精度要求度是否可用，设定最大误差不超过3%。

图4 利用DEM计算开采量变化示意图Fig.4 Using DEM to calculate the distribution of reserves

无人机倾斜摄影航测法以非接触式测绘对矿区开采量进行测算，降低了测绘人员矿区作业的安全风险，测绘成果可精细、全面描述矿区地理信息，不会产生遗漏，高程精度较高，相比常规测绘方法有较大优势。

2.3 边坡角监测

露天矿区每天受到爆破、车辆运输等因素影响[5]。边坡受爆破振动影响大，受运输设备自身载荷及冲击载荷较大，所以露天矿边坡容易出现滑坡裂隙情况[6]。本研究设计利用无人机航测制作的DEM，使用ArcGIS软件的坡度分析工具，自动计算出矿区DEM的坡度值，设置边坡角安全阈值，监测并定位出边坡角超限区域，为边坡角安全治理提供依据。

2.4 日常开采监管

露天矿山的日常巡查可借助无人机航拍实现，拍摄矿区隐患点视频或照片，进行监测判别[7]。同时开发露天矿山矿产资源监管系统，将各周期测绘成果和监测成果多源数据导入系统，用先进的计算机管理手段，以数据为核心，通过对历史数据及各周期采集的信息资源的管理，实现对企业各个环节过程中的数据进行控制与监督，并提供辅助决策(图5)。

在高分辨率数字正射影像和倾斜三维模型的成果上，管理者能够清楚直观地观察露天矿的开采情况，以便制定相应的管理措施，包括开采生产调度、矿山排水疏干、矿山环境保护、矿山土地复用等。根据航测成果可获取的露天矿山开采境界，而开采境界的范围将直接决定着露天矿的可开采量、剥离岩石量、露天矿生产能力和开采年限等[8]。这使管理者能够做到事后可以进行详尽分析、事中可以进行实时监控、事前可以进行有效预测，提高管理水平[4]。

3 案例应用

根据相关法律法规的要求，各级自然资源部门要按照职能开展矿山开采量动态监督管理工作。矿山采矿量地质测量实行动态管理，每季度不少于一次。对地质条件复杂、资源储量有较大变化、采矿许可证即将到期，以及开采工作面临近矿区边界的矿山，应当增加检测频次。

本次选取浙江省西南部某石灰石露天矿进行监测方法进行应用研究，共测绘监测三次，统计出相邻2个周期内采矿量变化。研究区域地形为丘陵，最大海拔落差约220 m。该矿区储量较大、开发较早，年产量平稳。本研究使用无人机测绘方法进行监测数据周期性采集与常规测绘结合的方法进行监测数据的生产，使用Smart3D软件进行航测内业处理，使用ArcGIS软件进行监测数据处理分析。对于多源监测数据管理，设计使用Skyline软件进行二次开发，搭建数据管理平台，用于矿产资源监管。监测成果对比见表1。

图5 系统框架示意图Fig.5 Diagram of the system framework

表1 监测结果统计表Table 1 StatisticalTables of monitoring results

周期统计方法无人机测绘常规测绘实际开采输出量第一次监测工作量2人2天3人10天-第二次监测工作量2人2天3人10天-第三次监测工作量2人2天3人10天-第一周期变化量38.823万t37.231万t39.801万t第二周期变化量35.441万t35.132万t36.305万t

通过两种监测成果统计对比，无人机监测成果误差低于3%(矿石密度按2.7 g/cm3)计算。无人机测绘精度更高，且效率高于常规人工测绘。

4 结 语

现代测绘技术无论在空间信息的采集、存储、空间分析上，还是在测绘成果图件上，都以自动化、智能化、多样化、实时化为主，不仅提供有效的露天矿山监测数据，并且更加准确地为分析露天矿山开发状况提供了技术保障。本文提出使用无人机航测法结合地理信息技术对露天矿山进行动态监管的方法，并结合常规测绘对监测成果进行精度比对，最后以实例进行验证。结果表明，本研究方法切实可行，不仅大大减小了外业的劳动强度，提高了工作效率，缩短了监测周期，而且获取的成果满足露天矿山监测在精度方面的要求，为露天矿山的监管提供了一种快速有效的途径。测绘技术将与地质学联系更为紧密，共同发展、共同进步，将在矿产资源监管的过程中发挥更大作用。