基于数字航空测量的矿区勘测技术应用研究

2022-04-27卢翔峰蔚志国

能源与环保 2022年4期

卢翔峰，蔚志国

(1.中晋环境科技有限公司，山西太原 030032； 2.山西华冶勘测工程技术有限公司，山西太原 030032)

针对矿区工程地形条件复杂，勘查设计难度大等问题，如果采用传统勘查方式，不仅作业量大，也不符合政府的相关要求。同时，由于传统勘查作业，在获取现场测量数据后，才能确定路径，致使工人效率低、劳动强度大，由于受到现场测量的限制，一般确定的路径缺乏整体性和全局观，随着路线的向前推移，会出现对已确定方案产生颠覆性影响，造成工期滞后、效率难以提升以及重复工作量巨大[1]。鉴于此，国内学者对新型勘测技术进行了大量的研究，文献[2]采用RTK数字地形测量技术，利用首级RTM控制网，实施了研究区1:500数字地形测量，研究结果达到了期望的测量精度；文献[3]对航空重力测量技术、航空放射性测量技术、航空电测探测技术、高精度航空磁测技术、深地震主动源剖面探测技术、天然地震流动台阵技术、金属矿地震勘探技术、井中地球物理测量技术、地面电磁测量技术等研究了分析，归纳总结了不同方法的使用范围、基本原理、技术概况、技术特点以及应用效果，指导了矿区的勘查；文献[4]研究了GPS技术在控制测量中的应用，利用GPS定位技术，组建了参考站，应用在控制测量系统中，取得了一定实际应用价值。本文采用数字航空测量技术，对平定县龙泉山矿区进行精确测量，研究表明，该技术具有较好的实用性，并且取得了良好的勘测效果。

1 工程概况

平定县龙泉山矿区平均海拔为+750 m，东西线从测区西部通过，娘白线、石太线铁路从测区南部穿过，区内交通较为便利。

测区属暖温带大陆性季风气候，四季分明，春季少雨干旱多风，夏季炎热，冬季寒冷少雪。降雨天气主要集中在6—9月份，年平均气温10.8 ℃，最低气温-21.8 ℃，最高气温39 ℃，年平均降水量505.1 mm。霜冻期为10月上旬至次年4月下旬，无霜期年平均210 d。平定县矿产资源丰富，有无烟煤、高铝黏土、硫铁矿、白云岩、一般耐火黏土、玄武岩、石膏、石灰岩等，其中以煤蕴藏量最大，有悠久的开采历史。此次航测范围分两期划定，最终成图范围为东至下盘石村、南至岩会村、北至槐树梁村、西至东西线。东西长7.0 km，南北长5.7 km，面积约29.7 km2。测区范围如图1所示。

2 控制测量

2.1 选点与埋石

测区基础控制采用D级GPS控制网[5-8]，按设计要求需布设12个控制点，并至少保证2点之间可以通视。根据实地踏勘情况，为对2个分区和全矿区有效控制，便于后续生产使用，两矿区周边点位尽量位于采区之外，同时交通方便利于使用，综合考虑布设8个点。

测区南部主要考虑到后期场站设计，同时将进行1∶2 000地形图航测作业，所以，设计4个点，2个一对，同时，尽量可与北部矿区周边点通视。根据收集到的周边高等级控制点分布情况和现场踏勘，决定选取离测区最近的2个省级C级GPS控制点进行联测。由于控制点“阳泉市”离矿区距离太远，为保证网形稳固，提高观测效率。在中间增设一临时点作为联测接续。所有控制点分布均匀，图形结构良好，有效控制了整个测区。已知点数据见表1。

图1 测区范围示意Fig.1 Scope of the survey area

表1 已知点数据Tab.1 Known point data

在具体选点和埋石过程中，基本要求按《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)执行。选点时应尽可能避开树木、高压电线、无线电发射源，以保证卫星信号的接收，同时有利于测量的扩展和联测。点位选在土质坚硬、基础稳固，易于点的长期保存及利用，在天线截止高度角15°以上的空间没有障碍物，满足GPS观测要求。相邻点位之间通视良好，远离大功率天线等电磁发射源，其距离大于200 m，并距离高压输电线大于50 m的开阔地带。埋设的标石采用P.O42.5普通硅酸盐水泥预制混凝土标石，安放铜制测量标志。标石统一行先行制作，其上顶面15 cm×15 cm，下底面25 cm×25 cm，高60 cm。普通标石及盖板规格如图2所示。

标石埋设时，将基坑底部的土层夯实整平；标石安放端正，回填土前，清除基坑内的杂物；回填土的湿度应适中，没有杂物，填土时在标石周围同时进行分层夯实，加盖30 cm×30 cm混凝土盖板，最后全部回填至高出地面20 cm左右。选点埋石结束后，按照统一格式及要求绘制GPS点之记。本次点名按“太钢”首字母“TG”，加区域“龙泉”山首字母“LQ”后接顺序号，如“TGLQ12”，表示本测区12号点。控制点网如图3所示。

图2 普通标石及盖板规格Fig.2 Ordinary mark stone and cover plate specifications

图3 控制点网图Fig.3 Control point network diagram

2.2 平面控制

(1)GPS网的观测[9-11]。作业使用4台I80型GPS接收机，经测前检定，仪器各项精度、技术指标均达到规范要求，平面精度为±(2.5+1×10-6) mm。能够满足施测设计精度要求。为保证观测精度，D级点均以边点混联方式构网，点名、天线高在测站直接置入仪器中，天线高读取采用不同方向3次读数，读至mm，较差小于3 mm。取3次读数平均数作为天线高。测前根据网上下载的星历表，选择良好的时段进行外业数据的采集，确保外业数据采集的质量。作业主要技术指标如下：卫星截止高度角15°;同时观测有效卫星数≥4;有效观测卫星总数≥4;观测时段数≥1.6;时段长度≥60 min;采样间隔5～15 s。

(2)GPS数据处理。基线处理采用CGO静态处理软件，该软件是目前国内较成熟的GPS随机解算软件之一。此次作业闭合环总数30个，其中同步环19个，异步环11个，闭合环最大节点数为3。最大边长11 729 m，最小边长647 m，平均边长3 627 m。共测基线33条，最弱边相对误差最大1/634 444 3。重复基线3条，长度较差最大为0.001 8 m，相对误差最大为1.22×10-6。本网作业采用边联结方式构网，使整个GPS网的精度大为提高。D级GPS控制网主要技术指标中，水平分量应≤20 mm，垂直分量≤40 mm。

(3)闭合环。①同步环相对闭合差最大4.07×10-6，最小0.06×10-6；②异步环相对闭合差最大2.21×10-6，最小0.35×10-6。经计算各分量闭合差限差为0.575 m。同步环和异步环的误差分析见表2。

表2 同步环和异步环的误差分析Tab.2 Error analysis of synchronous loop and asynchronous loop

(4)约束平差。约束平差采用CGO静态处理软件，为了使解算精度更高，先在WGS84—坐标下进行经典自由网平差，再用1980西安坐标系平差，3°带成果，中央子午线114°，以大地水准面为测区高程投影面，平差起算数据如下：①阳泉市，X、Y、H分别为4 190 929.430，38 463 912.812，678.365；②巨城，X、Y、H分别为4 201 127.118，38 475 374.299，573.641。

(5)平差后精度分析。①平差后WGS84坐标最弱点位误差：X为3.942 mm，Y为3.948 mm；②最弱基线相对误差为1/166 692 5；③约束平差后最弱基线相对误差为1/103 011 3；④单位权中误差为0.000 651 m；⑤平差后坐标最弱点位误差：dx为3.741 mm，dy为3.154 mm。

2.3 高程控制

高程采用GPS拟合，高程拟合：内符合精度中误差±0.864 mm。

3 数字航空测量

3.1 航摄区和航线的确定

根据航摄工作范围，采用2个航摄分区，在遥感影像图上规划航线[12-15]。航向重叠度70%，旁向重叠度65%，共7个飞行架次。航区划分如图4所示。

图4 航区划分Fig.4 Navigation area division

3.2 航摄仪选择

本研究摄影采用CW-007C航空摄影测量系统(图5)。CW-007C主要系统参数如下：类型固定翼；抗风能力6级风；翼展2 m；垂直方向定位精度3 cm；机身长度1.3 m；水平方向定位精度(1+1×10-6) cm；最大起飞质量6.8 kg；最高起飞海拔为4 500 m；任务荷载800 g ；实用升限5 000 m；续航时间60 min；起飞方式直升；最大速度100 km/h；着陆方式直降；巡航速度65 km/h；动力类别为电动。

图5 CW-007C航空摄影测量系统Fig.5 CW-007C Aerial Photogrammetry System

3.3 相机选择

此次航空摄影测量所选用相机为无人机专用相机SONY_A7RⅡ，其基本参数：相机类型为SONY_A7RⅡ；像素为7 952×5 340；像素大小为4.5 μm；CCD大小为35.9 mm×24 mm；焦距为35 mm。

3.4 航测作业

(1)地面控制测量。此次测量使用2台徕卡动态GPS GS14 RTK，以SXCORS(山西省连续运行基准网及综合服务系统)为基准，使用RTK网络模式进行图根控制点测量，坐标误差小于5 cm。该区像控点全部布设为平高点，北区布设9个点，南区布设18个点。在每个控制点采集之前对仪器进行初始化，固定解10″～15″后采集数据，重复测量3次，取3次测量平均值为结果，以保证控制点测量精度。区域网中布设控制点旁向不超过4～5条航线，按矩形布设。该测区北侧呈凸形，拐角处布设点应能控制住有效测绘面积，自由图边的像片控制点必须布设在自由图边外。按区域网大小，每个区域网布设1个检查点(平高点)。

(2)航空摄影测量。根据矿区范围规划摄影航线，以地面分辨率满足1∶2 000地形图要求设置航高为620 m，同一航线上相邻像片的航高差小于30 m，最大航高与最小航高之差小于50 m，实际航高与设计航高之差小于50 m。航向重叠度75%，旁向重叠度65%。各姿态角均保持在5°以内。测区基准面高度750 m。

3.5 数字化成图

本次摄影测量室内通过PhotoScan进行空中三角测量处理，生成数字高程模型和数字正射影像；并利用清华山维完成数字线划图的采集。高程注记点分布均匀，对地形特征点均注记了高程，高程注记为0.1 m。根据《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图航空摄影测量数字化测图规范》(GB/T 15967—2008)要求，航测数字化测图精度应满足平地、丘陵地地物点中误差为0.6 mm；山地、高山地地物点中误差为0.8 mm。

高程中误差要求见表3。根据对野外地形进行RTK重采样检查，此次航测精度为：平面中误差0.572 m，高程中误差0.191 m，完全满足规范要求。本次航测数据为开放性入口，能读取文本格式的原始数据，图层分层清晰、线型和颜色库管理合理，数字注记准确，并具备了齐全的测量符号库。本次数字化成图严格按照ISO标准的程序操作步骤进行。可满足《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010)规范要求。采集地物、地貌数据时切准地物、地貌的特征点，进行全要素检查采集，做到不变形、不移位、无错漏。采集依比例尺表示的地物符号时，应以测标中心切准轮廓线或拐点连线；采集不依比例尺表示的地物符号时，应以测标中心切准其定位点、定位线，对模型不清的构(建)筑物(如房角、电杆等)无法准确定位时，务必在相应位置上作“A”标记，进行外业补测或调查。