近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用初探

张敏

摘  要：随着矿区开采范围及采深的增加，露天矿山边坡整体高度及裸露面积增大，若未及时发现裸露高陡边坡的变形区域，未对其做出相应整治措施，便会出现边坡失稳、滑坡、塌方等问题，进而引发各类灾害。文章分析了近景摄影测量研究现状，概述了近景影像技术理论基础，提出了近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的具体应用。

关键词：近景摄影技术;露天矿山;边坡变形监测;应用初探

中图分类号：TD80         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0171-02

Abstract： With the increase of mining scope and mining depth in the mining area， the overall height and exposed area of the open-pit slope increase. If the deformation area of the exposed high and steep slope is not found in time， and the corresponding treatment measures are not taken， there will be slope instability， landslides， landslides and other problems， and then lead to all kinds of disasters. This paper analyzes the research status of close-range photogrammetry， summarizes the theoretical basis of close-range image technology， and puts forward the specific application of close-range photography in slope deformation monitoring of open-pit mines.

Keywords： close-range photography; open-pit mine; slope deformation monitoring; preliminary application

近景攝影测量技术主要是指在不接触目标物的前提下，迅速获取精准的影像数据，进而建立高精准的三维模型，通过对数据的一系列处理，来获得所需的各种测量资料，近年来，近景摄影测量技术已逐渐应用在露天矿山边坡变形监测中。滑坡是影响露天矿山安全的主要灾害之一，通常情况下，在发生滑坡灾害之前会出现某些征兆，这时便可以使用近景摄影测量技术做好边坡数据的采集工作，进而得到矿山边坡整体的变形量以及变形趋势，便于矿山对边坡变形进行下一步科学、合理的整治工作部署。除此之外，近景摄影测量技术能有效地解决快速拍摄存在的问题，降低运作成本，全面提高数据质量。该技术能对数据信息进行有效处理，实现数据融合，对于边坡变形的分析至关重要。因此，现阶段对于近景摄影测量技术在露天矿山边坡变形监测中的应用进行探究，具有极其深远的现实意义。

1 近景摄影测量研究现状

近景摄影技术主要是指在300米的范围之内，能够对目标待测物体进行影像数据的收集，进而能够准确地得到被测物体的形状大小坐标信息，它能够在不接触目标物体的前提之下得到更加精准的数据。近年来，随着科学技术的发展，近景摄影技术也得到显著提升，不仅使得近景摄影测量基础理论得到补充，近景摄影测量技术配套软件质量也显著增强，数据结果处理及分析精准度也明显提高。目前它已被广泛使用在4D产品的检测中，尤其是在2000年以后，近景摄影技术实现空前发展，被广泛使用在目标物的变形监测中。发展到2010年，人们将改造后的相机融入到近景摄影技术中后，能对建筑外墙进行变形监测探究，全面确保实验结果能够满足测量精度的需求。发展到2013年，近景摄影技术使用到山谷的测量中，能够有效地得到冰川的活跃程度，也可以分析下雨对边坡表面产生的影响。

和国外相比，我国的近景摄影技术起步较晚，然而经过十多年的发展，近景摄影技术，无论是在理论还是实践等层面都取得了突飞猛进的发展，我国很多学者都将近景摄影技术使用在边坡变形数据的采集过程中。边坡变形监测是测绘的主要内容，目前，随着科学技术的快速发展，我国的边坡变形监测也有了一套较为完整的理论基础。在2016年，谢冬冬，杨德宏通过近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用，对影像数据进行解读，能够得到大量的峡谷信息，这就验证了边坡近景摄影技术能够更好地使用在复杂地形测量中。2017年，武汉大学李林等学者使用近景摄影测量技术在滑坡的监测中，得到更加精准的边坡整体变形量。在2018年，学者李天等人对近景摄影测量技术及数据处理量进行分析，发现该技术具有较高的实时预警功能，制定了一种能够进行远程传输的监测方案，不仅能够在模拟实验环境下验证，而且能广泛使用在实际边坡变形监测应用中。综上所述，在边坡变形监测中能够有效地解读数据，提高数据分析精准度的近景摄影技术已被广泛使用。当然，在实际应用中也可能存在着各种各样的不足，无论是山坡露天矿还是凹陷露天矿，在开采过程中，由于矿区地质环境复杂，摄影设备易受气候及粉尘影响，这也就意味着，近景摄影技术在实际使用时还需对其可行性进行合理分析，因地制宜[1]。

2 近景摄影技术理论基础

2.1 近景摄影测量坐标系

通常情况下，近景摄影技术在使用时需要对近景摄影测量坐标系进行分析，该坐标系主要是解读同名坐标点以及控制点的三维坐标数据，它能够有效地得到目标物的地理坐标，而且能够实现不同地理坐标之间的相互转换。一般情况下，在露天矿山边坡变形监测技术应用时，近景摄影技术的测量坐标系主要有以下几种：第一，平面坐标系，能够有效地描述二维坐标点在相片上的具体坐标;第二，物方空间坐标系，它是为了明确被测物体的空间坐标系而设立的;第三，空间坐标系，它主要是用来描述点空间的地址，能够及时到获取图片的位置和姿态，不同影像之间的坐标系是不断变化，相互之间的影响也是不同的;第四，辅助空间坐标系，在某种程度上它具备过渡的性质，可能由于相片和姿态发生变化，能够给数据解析产生一定的困难。因此，在构建辅助空间坐标系时，应该将第一张相片作为像空间坐标系[2]。

2.2 内方位素

为了在一定范围内明确近影摄影技术得到的目标物体影像数据，需要考虑到物体和相片之间的联系。对于内方位元素来说，它主要是进行明确影像中心和相片的相对位置，在某种程度上，内方位元素，它是近景摄影测量技术，建立目标物的三维模型基础，它能有效地提高目标物三维模型的准确性。一般情况下，在相机购买完成以后，内方位元素都是已知的，在实际应用时，需要对内方位的各元素进行校对，全面确保数据的准确性[3]。

2.3 外方位素

外方位元素，它主要是用来确定光速在物方空间坐标系的中间位置和姿态的要素，主要包括直线元素和角元素，直线元素主要是为了确定摄影中心在物体空间坐标系中的具体位置，而角元素主要是为了确定相片在物方空间坐标系的空间动态[4]。

3 近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用

3.1 数据获取

边坡稳定性和矿山的安全生产有着密切的联系，为了加强高陡边坡变形监测，需要对近景摄影技术进行全面探究，提高高陡边坡变形监测的稳定性和科学性，在对滑坡监测时可以使用全站仪测量、GPS变形监测等不同方法。然而，以上技术在使用时操作复杂，成本较高，最为重要的是其测量时需要人员接触目标物，这在边坡形变较为严重的区域进行测量工作是极其危险的，而使用近景摄影测量技术，它能够通过非接触进行测量，得到数据的速度快、成本低，能够在保证测量安全的前提下，全面提高测量精度。一般情况下，在进行露天矿边坡影像数据采集时，使用的是旋转多基线交相摄影的方式，需要在露天矿边坡上均匀分布一些标志点，然后对边坡使用平行摄影的方式做好影像数据的采集，拍摄平均距离大约为80厘米左右，而影像的重叠度在80%以上，为了确保影像重叠，部分有监测点，为后续数据的处理建立模型奠定基础。这就意味着，在进行数据采集时，应该在最大范围内正对边坡，才能有效地降低几何变形发生的概率。尤其是近景摄影测量技术在使用时，它的拍摄仰角不能高于45度，在拍摄时也不能随意的调整相机焦距，确保相机焦距保持不变[5]。

3.2 影像数据处理

在露天矿山边坡变形监测中，使用近景摄影技术需要做好影像数据的处理工作，必须要建立完善的测区工程文件，输入相关的影像数据，针对控制点坐标和相机参数进行设定，在人工匹配完成之后需要进行空三测量。在此之后，可以使用区域网光束法进行加密匹配，然后将编辑好的模型点建立三角网，需要进行影像匹配，在进行影像数据处理时，需要对影像进行空三匹配，通过影像匹配找到不同摄像区域上的同名点相片，得到之后找到相邻相片之间的重叠，确保相邻相片具有一定的重叠度，然后将相片重叠的区域找到匹配点，对每张照片需要做好每张照片的全自动匹配。

3.3 点云融合

使用点云融合能够对数据空洞进行修补，实现影像数据和点云数据的融合，能够确保两个数据库，精准匹配修补边坡模型空洞。此外，控制点需要对影像各控制点进行分析，尤其是得到稀疏的点云坐标，它更是属于独立坐标系的范畴，需要将控制点的点云数据转换为方空间坐标系，然后使用光束法进行平差，找到人工标志点的影像数据，解算控制点，为了确保检查精准度的要求，还需要对检验点的空间位置误差和坐标系中的误差进行測量精度分析。

4 结束语

综上所述，在科学技术的推动之下，边坡变形监测技术方法更加先进、精准。近景摄影测量技术能有效地缩短监测时间并获取更多、更准确的数据，以便于人们更好地判断边坡整体的变形趋势，更好地进行露天矿山边坡安全管理工作，近景摄影测量技术在露天矿山边坡变形监测中大有可为。

参考文献：

[1]谢冬冬，杨德宏.近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用[J].价值工程，2016，35（21）：123-124.

[2]毛斌斌，张强，徐豪，等.利用近景摄影测量技术监测红旗沟排土场边坡位移变形[J].现代矿业，2018（5）：151-153.

[3]唐桢，刘斐，王孟穹.由点到面的变形监测技术在露天矿山边坡中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2019，42（5）：69-72.

[4]贺跃光.工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究[D].湖南：中南大学，2018.

[5]郭明，高楚天，邵天翼，等.利用近景摄影测量技术获取车载LiDAR测量系统检校初值[J].工程勘察，2019，47（10）：48-52.