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

傳統(tǒng)的礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查一般采用野外實(shí)測(cè)的方法，對(duì)無(wú)證開(kāi)采的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，該方法工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，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(kāi)采的礦石資源方量，因此工作效率往往會(huì)很低。

作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)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(lái)在信息化測(cè)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(guò)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(chǎng)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(guò)調(diào)整航攝分辨率，達(dá)到滿足要求的精度。

礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查在獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中就很受益于低空傾斜攝影測(cè)量這一全新的技術(shù)。目前該技術(shù)在許多礦山監(jiān)測(cè)和調(diào)查中都得以應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來(lái)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)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(wú)證開(kāi)采調(diào)查采用低空傾斜攝影測(cè)量的方法構(gòu)建礦山無(wú)證開(kāi)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(kāi)。

1、資料收集和準(zhǔn)備

在外業(yè)作業(yè)前，首先要收集測(cè)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(wú)人機(jī)航飛技術(shù)方案并申請(qǐng)空域，明確無(wú)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(wèn)題。外業(yè)工作人員按逐航帶或測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)F200進(jìn)行航飛，其平臺(tái)參數(shù)如下表所示：

表1：無(wú)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(wú)證開(kāi)采區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，依照外業(yè)航空攝影測(cè)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(wú)證開(kāi)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(guó)家高程。

3）控制點(diǎn)測(cè)量

為使三維模型數(shù)據(jù)滿足精度要求，需在測(cè)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(guò)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(guò)控制網(wǎng)平差優(yōu)化后，礦山無(wú)證開(kāi)采測(cè)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(wú)證開(kāi)采礦產(chǎn)資源方量計(jì)算

1）無(wú)證開(kāi)采礦產(chǎn)資源范圍提取

基于傾斜攝影測(cè)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(cè)量被無(wú)證開(kāi)采礦山的開(kāi)采邊界線，采集礦產(chǎn)資源開(kāi)采范圍，如圖4為基于高精度三維模型測(cè)量被無(wú)證開(kāi)采礦山的開(kāi)采邊界線的示意圖。

圖4：基于高精度三維模型獲取無(wú)證開(kāi)采礦產(chǎn)資源范圍示意圖

沿礦產(chǎn)資源開(kāi)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(wú)證開(kāi)采的范圍，如圖5所示，為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無(wú)證開(kāi)采的范圍。

圖5：無(wú)證開(kāi)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(guò)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(wú)證開(kāi)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(cè)量，并經(jīng)過(guò)后期建模獲取所得，如圖8為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無(wú)證開(kāi)采后山體DEM。

圖8：調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無(wú)證開(kāi)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(guò)長(zhǎng)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(kāi)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(guò)實(shí)地采樣測(cè)量取平均方式獲得。由于礦石開(kāi)采，采坑剖面可直觀觀測(cè)巖石表層松散堆積情況，通過(guò)測(cè)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(kāi)采方量估算時(shí)應(yīng)予以扣除。

4）無(wú)證開(kāi)采礦產(chǎn)資源方量計(jì)算

通過(guò)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(guò)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(wú)證開(kāi)采方量。

通過(guò)設(shè)置參考剖面可直觀查看采礦前后礦產(chǎn)資源被無(wú)證開(kāi)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(wú)證開(kāi)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(kāi)采過(guò)程中堆積的碎石土。

圖11：調(diào)查區(qū)無(wú)證開(kāi)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(cè)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(cè)試，根據(jù)調(diào)查取樣試驗(yàn)測(cè)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(wú)證開(kāi)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(wú)證開(kāi)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(cè)量規(guī)范中1:1000丘陵地的精度要求，被無(wú)證開(kāi)采礦石量估算值偏差不得超過(guò)實(shí)際儲(chǔ)量值的5%。根據(jù)工程攝影測(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(wú)證開(kāi)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(jiàn)，利用低空傾斜攝影技術(shù)開(kāi)展礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查符合工程攝影測(cè)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(kāi)展礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查。

本文提出利用低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查，試驗(yàn)證明成果精度達(dá)到了工程攝影測(cè)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(cè)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(kāi)展礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查。

目前，該方法還存在無(wú)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(wú)證開(kāi)采礦山的開(kāi)采界線過(guò)程非自動(dòng)化等問(wèn)題，未來(lái)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(kāi)展礦山無(wú)證開(kāi)采調(diào)查的應(yīng)用提供條件。