【入圍文章·4】低空傾斜攝影在礦山無證開采調(diào)查中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的礦山無證開采調(diào)查一般采用野外實(shí)測的方法，對(duì)無證開采的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測量，該方法工作量大、時(shí)間長，需要耗費(fèi)較多的人力和物力，且不能很好地估算被非法開采的礦石資源方量，因此工作效率往往會(huì)很低。

作為國際測繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)(obliquephotography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，近年來在信息化測繪領(lǐng)域進(jìn)行了諸多探索。該技術(shù)顛覆了以往航攝只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺(tái)傳感器從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細(xì)的地物信息數(shù)據(jù)。在拍攝相片的同時(shí)，機(jī)載傳感器記錄航高、航向、坐標(biāo)和飛行姿態(tài)等參數(shù)，嵌入地理信息、影像信息，使影像數(shù)據(jù)真實(shí)地反映地物情況，并能通過調(diào)整航攝分辨率，達(dá)到滿足要求的精度。

礦山無證開采調(diào)查在獲取數(shù)據(jù)的過程中就很受益于低空傾斜攝影測量這一全新的技術(shù)。目前該技術(shù)在許多礦山監(jiān)測和調(diào)查中都得以應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來無人機(jī)傾斜攝影測量對(duì)于礦業(yè)領(lǐng)域而言或許就是必不可少的一項(xiàng)配置了。

礦山無證開采調(diào)查采用低空傾斜攝影測量的方法構(gòu)建礦山無證開采區(qū)域的三維模型，并生成對(duì)應(yīng)的DOM及DSM，以便于后續(xù)分析工作的展開。

1、資料收集和準(zhǔn)備

在外業(yè)作業(yè)前，首先要收集測區(qū)資料，包括控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)參數(shù)、已有的地形圖成果與地名資料等，制定無人機(jī)航飛技術(shù)方案并申請(qǐng)空域，明確無人機(jī)搭載的傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔等問題。外業(yè)工作人員按逐航帶或測區(qū)面積布設(shè)像控點(diǎn)，然后依照技術(shù)方案的安排，用無人機(jī)搭載多傳感器從不同角度采集地形數(shù)據(jù)。調(diào)查采用固定翼無人機(jī)獲取傾斜影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。

2、低空傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

1）硬件設(shè)備選型

調(diào)查采用固定翼電動(dòng)型無人機(jī)F200進(jìn)行航飛，其平臺(tái)參數(shù)如下表所示：

表1：無人機(jī)航攝平臺(tái)

采用的是SONY QX1*2型系列傾斜攝影傳感器，相機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：

表2：航攝相機(jī)參數(shù)

2）影像獲取

調(diào)查獲取礦山無證開采區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，依照外業(yè)航空攝影測量規(guī)范及調(diào)查需求設(shè)計(jì)航飛范圍和路線。按照技術(shù)要求，獲取4cm分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)，其航線設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2：調(diào)查區(qū)的航線設(shè)計(jì)

最終礦山無證開采調(diào)查區(qū)域獲取傾斜影像共992張，將影像POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)成西安1980坐標(biāo)系，采用高斯三度帶投影方法獲取平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，高程基準(zhǔn)統(tǒng)一采用85國家高程。

3）控制點(diǎn)測量

為使三維模型數(shù)據(jù)滿足精度要求，需在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，其坐標(biāo)系統(tǒng)與POS數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一。

3、高精度三維模型構(gòu)建

將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件中進(jìn)行三維模型構(gòu)建，分別經(jīng)過自由網(wǎng)平差、刺點(diǎn)、帶準(zhǔn)確控制點(diǎn)信息的區(qū)域網(wǎng)平差，最后進(jìn)行三維模型重構(gòu)，生成三維模型數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的DOM、DSM，其中空三加密、平差優(yōu)化以及模型構(gòu)建均由軟件自動(dòng)處理。經(jīng)過控制網(wǎng)平差優(yōu)化后，礦山無證開采測區(qū)的誤差符合精度要求。

最終生成的三維模型數(shù)據(jù)如圖3所示：

圖3：調(diào)查區(qū)的三維模型

4、調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源方量計(jì)算

1）無證開采礦產(chǎn)資源范圍提取

基于傾斜攝影測量獲取的高精度三維模型（采樣間隔0.04米，高程精度約0.15米），利用EPS地理信息工作平臺(tái)，測量被無證開采礦山的開采邊界線，采集礦產(chǎn)資源開采范圍，如圖4為基于高精度三維模型測量被無證開采礦山的開采邊界線的示意圖。

圖4：基于高精度三維模型獲取無證開采礦產(chǎn)資源范圍示意圖

沿礦產(chǎn)資源開采邊界的陡坎，利用EPS平臺(tái)獲取了調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采的范圍，如圖5所示，為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采的范圍。

圖5：無證開采礦產(chǎn)資源范圍示意圖

2）采礦前/后數(shù)字高程模型（DEM）獲取

由于未收集到2016年數(shù)字高程模型（采礦前時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2016年），僅收集2016年調(diào)查區(qū)1:2000比例尺地形圖，而根據(jù)挖填方工具數(shù)據(jù)輸入要求，需要獲取前后兩期DEM進(jìn)行運(yùn)算。因此，需要將地形圖轉(zhuǎn)換成DEM。

圖6：基于地形圖構(gòu)建三角格網(wǎng)

利用ARCGIS空間分析工具集，首先提取調(diào)查區(qū)地形圖的等高線和高程，并為兩要素文件賦高程屬性；其次，根據(jù)高程屬性將兩要素文件轉(zhuǎn)為3D要素，將3D要素通過創(chuàng)建TIN方式構(gòu)建調(diào)查區(qū)三角格網(wǎng)，如圖6所示，最后，采用數(shù)字模型轉(zhuǎn)換模擬的方法自然鄰域插值法，將三角格網(wǎng)轉(zhuǎn)換成所需DEM，如圖7所示調(diào)查區(qū)采礦前DEM。

圖7：調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采前山體DEM

調(diào)查區(qū)采礦后DEM是于2018面10月4日實(shí)地航飛測量，并經(jīng)過后期建模獲取所得，如圖8為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采后山體DEM。

圖8：調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采后山體DEM

3）巖石表層松散堆積物厚度估算

由于巖石經(jīng)過長期風(fēng)化或搬運(yùn)堆積，在巖石的表層會(huì)形成一定厚度的風(fēng)化物、殘積物、坡積物等松散堆積物，而這些松散堆積物對(duì)于計(jì)算實(shí)際開采巖石方量的計(jì)算有一定的影響。

巖石表層松散堆積物厚度主要通過實(shí)地采樣測量取平均方式獲得。由于礦石開采，采坑剖面可直觀觀測巖石表層松散堆積情況，通過測量采坑周圍6個(gè)樣本點(diǎn)位巖石表層松散堆積物剖面厚度，獲取了巖石表層松散堆積物的厚度，分別為：3.01、2.90、2.95、2.82、2.92、2.98（米），經(jīng)估算，其平均厚度為2.93米。后續(xù)在進(jìn)行礦石開采方量估算時(shí)應(yīng)予以扣除。

4）無證開采礦產(chǎn)資源方量計(jì)算

通過空間分析綜合運(yùn)算方式去除巖石表層松散堆積物厚度影響，然后利用挖填方工具通過計(jì)算采礦前后兩期DEM之間地表變化差異，獲取調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采方量。

通過設(shè)置參考剖面可直觀查看采礦前后礦產(chǎn)資源被無證開采的變化情況，如圖9和圖10所示。

圖9：所設(shè)置參考剖面線位置

圖10：采礦前/后調(diào)查區(qū)山體DEM剖面變化情況

根據(jù)挖填方計(jì)算結(jié)果，最終獲取礦山調(diào)查區(qū)被無證開采礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量，如圖11中藍(lán)色部分所示，圖中紅色部分為開采過程中堆積的碎石土。

圖11：調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源情況

5、巖性鑒定和密度檢驗(yàn)

調(diào)查中實(shí)地獲取了調(diào)查區(qū)5個(gè)分散點(diǎn)位的礦石樣本，并送湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心進(jìn)行巖性鑒定，經(jīng)試驗(yàn)分析，最終確定調(diào)查區(qū)礦石類別為灰質(zhì)白云巖。與此同時(shí)，對(duì)5個(gè)礦石樣本巖石物理性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，根據(jù)調(diào)查取樣試驗(yàn)測試報(bào)告，5塊礦石樣本礦石體重分別為2.65、2.57、2.63、2.54、2.61（t/m³），最終取礦石平均體重D=2.6 t/m³。

6、調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量計(jì)算

根據(jù)礦石平均體重和計(jì)算所得礦石資源方量，即可計(jì)算得到調(diào)查區(qū)自2016年8月至2018年9月被無證開采的建筑用含灰質(zhì)白云巖資源儲(chǔ)量礦石量。

本次調(diào)查要求，航攝需滿足工程攝影測量規(guī)范中1:1000丘陵地的精度要求，被無證開采礦石量估算值偏差不得超過實(shí)際儲(chǔ)量值的5%。根據(jù)工程攝影測量規(guī)范，平面地物點(diǎn)中誤差和高程注記點(diǎn)精度要求見表3。

表3：平面地物點(diǎn)中誤差和高程注記點(diǎn)精度要求

實(shí)地選取了調(diào)查區(qū)內(nèi)均勻分布的30個(gè)檢查點(diǎn)評(píng)定數(shù)學(xué)精度，基本等高距為1m，平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)見表4。

表4：地物檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)

計(jì)算如下：

平面中誤差在圖上距離為0.284mm，小于圖上0.6mm；高程中誤差小于0.5m（1/2基本等高距），被無證開采的建筑用含灰質(zhì)白云巖資源儲(chǔ)量礦石量估算值偏差為實(shí)際儲(chǔ)量值的2.34%。由此可見，利用低空傾斜攝影技術(shù)開展礦山無證開采調(diào)查符合工程攝影測量規(guī)范中對(duì)基本精度的要求，保證了成果數(shù)學(xué)精度，綜合該方法省時(shí)高效的特點(diǎn)，適合小區(qū)域快速開展礦山無證開采調(diào)查。

本文提出利用低空傾斜攝影測量技術(shù)開展礦山無證開采調(diào)查，試驗(yàn)證明成果精度達(dá)到了工程攝影測量規(guī)范要求和礦石資源儲(chǔ)量估算精度要求。與傳統(tǒng)調(diào)查工作方式相比，測量時(shí)間減少1/3以上，人員減少2/3。特別是外業(yè)采集數(shù)據(jù)階段，傳統(tǒng)調(diào)查方式需要根據(jù)調(diào)查區(qū)面積大小配備相應(yīng)數(shù)量的調(diào)查人員，采用低空傾斜攝影方法只需3~4人，降低了調(diào)查成本，特別適用于小區(qū)域快速開展礦山無證開采調(diào)查。

目前，該方法還存在無人機(jī)飛行作業(yè)受天氣影響較大、需進(jìn)行差分POS保證精度、提取無證開采礦山的開采界線過程非自動(dòng)化等問題，未來相關(guān)硬件軟件難題的深入研究將為推廣低空傾斜攝影開展礦山無證開采調(diào)查的應(yīng)用提供條件。