楊青山，范彬彬，魏顯龍，包 琦，許正鵬，喻 帆

(1.巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規(guī)劃設(shè)計院，新疆庫爾勒841000;2.新疆巴州國源測繪規(guī)劃中心，新疆庫爾勒841000)

一、概 述

1.項目背景

礦產(chǎn)資源是新疆的優(yōu)勢資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，對礦產(chǎn)資源的綜合開發(fā)利用是新疆經(jīng)濟(jì)得以崛起的重要依托［1］。資源的有效開發(fā)與管理已成為礦產(chǎn)相關(guān)部門的主要工作職責(zé)。但是，由于利益的驅(qū)使，使得一些單位、一些企業(yè)無視政府部門的政策和法規(guī)，亂采國家資源，造成國家資源的浪費。因此相關(guān)部門正在引進(jìn)新的技術(shù)手段加以管理［2］。無人機(jī)攝影測量技術(shù)具有靈活、操作簡單等優(yōu)勢，因而在國民經(jīng)濟(jì)的許多行業(yè)得以大顯身手。為此，結(jié)合礦山測量的需求，將無人機(jī)攝影測量技術(shù)早日應(yīng)用于新疆礦山儲量動態(tài)監(jiān)測中具有較強(qiáng)的必要性［3］。

2.項目意義

新疆礦山數(shù)量巨大，并且礦山多在偏僻地區(qū)，地形復(fù)雜，自然狀況惡劣，傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測方式測量難度大、周期長，無法滿足當(dāng)今礦山儲量動態(tài)變化監(jiān)測對地理數(shù)據(jù)不斷更新的要求［4］。無人機(jī)攝影測量在空中完成對地面的拍攝，受地形限制較小，大大減少了野外工作量和工作難度［5-6］。同時，無人機(jī)飛行的相對航高較低，一般在1000 m以內(nèi)，其攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)可獲取厘米級分辨率的原始數(shù)據(jù)，可以滿足各種比例尺影像成圖的要求［7-8］。此外，無人機(jī)飛行對起落場地選擇的要求較低，因此，只要天氣狀況良好，就可以保證數(shù)據(jù)采集的及時性和連續(xù)性［9］。最后，通過內(nèi)業(yè)處理可快速獲得測區(qū)高精度的數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)，數(shù)據(jù)時效性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空中監(jiān)視、無人到達(dá)目標(biāo)區(qū)可以取證的效果，這樣即可以有效地實現(xiàn)監(jiān)管，有力地打擊違法開采資源的活動［10］。與其他技術(shù)手段相比，無人機(jī)攝影測量技術(shù)是一種高性價比的數(shù)據(jù)獲取方法，尤其對于小范圍地區(qū)的高分辨率遙感影像快速獲取，這種技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高、推廣價值大［11］。

二、研究區(qū)概況

本次項目選擇了地形、生產(chǎn)類型和年開采量都有較大差異的新疆尉犁縣哈拉洪軍嫂砂石料礦(以下簡稱軍嫂礦)和新疆焉耆縣五洲四號磚廠磚瓦用黏土礦(以下簡稱五洲四號礦)作為研究對象，討論無人機(jī)在新疆礦山儲量動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用前景。研究區(qū)概況敘述如下。

1.軍嫂礦

軍嫂礦位于尉犁縣城東北方位。礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng):86°19'16″—86°21'2″;北緯:41°30'6″—41°31'24″。該礦為露天建筑用沙礦，礦區(qū)面積0.471 km2，年生產(chǎn)規(guī)模 1.8 萬 m3，開采標(biāo)高 920 ～900.7 m。

2.五洲四號礦

五洲四號礦位于焉耆縣騰達(dá)建材有限責(zé)任公司王府磚廠黏土礦以西約30 m處。礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng):86°17'36″—86°19'27″;北緯:41°50'30″—41°51'42″。

三、無人機(jī)數(shù)據(jù)的獲取和處理

1.航攝方案

采用交叉航線的方式進(jìn)行航拍，相機(jī)拍攝的原片保持航帶內(nèi)80%重疊，航帶間60%重疊，獲取的真彩色相片分辨率為0.06 m。

2.控制測量

采用野外鋪地標(biāo)點的方式進(jìn)行控制測量，地標(biāo)點直徑為1 m。在測區(qū)的四周和中央共布置5個控制點，大大減少了野外工作量。

3.空三加密

通過光束法空中三角測量進(jìn)行，由外業(yè)提供控制測量結(jié)果，內(nèi)業(yè)解算定向點的平面坐標(biāo)和高程值。

4.生成DEM和DOM

空三加密完成后，基于空三加密成果，密集匹配點云，生成測區(qū)0.3 m格網(wǎng)間距的三維點云文件，依據(jù)點云文件生成測區(qū)1∶1000的DEM。根據(jù)外方位元素和DEM逐一對每個像對進(jìn)行數(shù)字微分糾正得到DOM，不同像對的DOM經(jīng)鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，生成項目區(qū)1∶1000的DOM。

5.DOM和DEM質(zhì)量檢查

基于DEM和DOM進(jìn)行礦山動用儲量監(jiān)測前，需對其精度進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗，以確認(rèn)生成的DEM和DOM質(zhì)量符合精度要求。分別在軍嫂礦和五洲四號礦測區(qū)隨機(jī)布設(shè)26個和28個野外檢查點，用于檢驗無人機(jī)生成的DOM和DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量。

經(jīng)檢驗，軍嫂礦和五洲四號礦DOM檢驗點平面中誤差分別為0.10 m和0.09 m;兩個測區(qū)檢測點平面中誤差均 100%小于限差 0.40 m［12］。

軍嫂礦和五洲四號礦DEM檢驗點高程中誤差分別為0.14 m和0.16 m;兩個測區(qū)檢測點高程誤差均 100%小于限差 0.33 m［12］。

四、無人機(jī)數(shù)據(jù)礦山動用儲量監(jiān)測

本次項目選擇兩個礦區(qū)中礦坑邊緣清晰具備廣泛代表性的軍嫂礦的2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑作為監(jiān)測對象。

1.礦坑上底面的確定

開采前礦坑原始狀況為自然地貌，其地形可近似為一個平面。因此本次計算假定兩個礦坑的上底面為礦坑邊緣測量高程點的均值。其中軍嫂礦2012年1號采坑上底面高程為906.73 m，五洲四號礦7號采坑上底面高程為1 082.62 m。

2.礦坑下底面的確定

如上文所述，軍嫂礦和五洲四號礦無人機(jī)生成的DEM的高程中誤差分別為0.14 m和0.16 m，均符合1∶1000 DEM的高程精度要求，可作為無人機(jī)礦產(chǎn)監(jiān)測的下底面。兩個礦坑的DEM如圖1所示。

圖1

3.動用儲量計算

用ArcGIS Desktop分別創(chuàng)建分辨率0.1 m、高程906.73 m和1 082.62 m的柵格圖層，并用礦坑邊界將其裁剪為和下底面一致的區(qū)域作為計算的上底面。運用ArcGIS Desktop的柵格代數(shù)運算器將上底面減去下底面，得到上頂面和下底面的差值。用ArcGIS Desktop的柵格區(qū)域統(tǒng)計工具對差值面的各項參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，其中軍嫂礦的2012年1號采坑動用儲量為7 084.81 m3，五洲四號礦7號采坑動用儲量為 71 209.45 m3。

五、GPS RTK礦山地質(zhì)測量

為評估無人機(jī)攝影測量技術(shù)在新疆礦山儲量動態(tài)監(jiān)測中的適用性，對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑用傳統(tǒng)的測量手段進(jìn)行動用儲量監(jiān)測。將傳統(tǒng)測量方法的結(jié)果與無人機(jī)測量的結(jié)果進(jìn)行對比，對無人機(jī)礦產(chǎn)監(jiān)測做出客觀的評估。

1.工作量及質(zhì)量評述

量測點空間分布如圖2所示，軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑的測量點密度分別達(dá)到了12 m2/個和10 m2/個。之后進(jìn)行了野外資料的計算、各種圖件的編制及報告編寫工作。完成主要工作量見表1。

表1 主要工作量統(tǒng)計表

圖2 量測點空間分布

本次監(jiān)測開展的野外、室內(nèi)工作嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行作業(yè)，工作結(jié)束后全部資料進(jìn)行了100%的自檢，上述工作方法、質(zhì)量均符合動態(tài)監(jiān)測要求。

2.資源儲量估算方法

資源儲量計算公式為

式中，Q為資源儲量，單位為m3;S為采坑面積，單位為m2;H為平均采深，單位為m。

對采坑內(nèi)高差較大的土包單獨計算面積。

3.資源儲量估算參數(shù)的確定

(1)采坑面積

采坑面積在1∶1000資源儲量估算圖上用南方CASS2008成圖系統(tǒng)軟件直接求得。

(2)平均采深

采坑平均采深是各測量點所測定的采坑頂、底高程之差的算術(shù)平均值，其中軍嫂礦2012年1號采坑為0.78 m，五洲四號礦7號采坑為7.3 m。

(3)體積

軍嫂礦2012年一號采坑體積為7 577.36 m3，五洲四號礦七號采坑體積為71 301.01 m3。

六、無人機(jī)攝影測量技術(shù)礦山儲量動態(tài)監(jiān)測可行性分析

本文從精度和效率兩個方面討論無人機(jī)攝影測量技術(shù)在新疆礦山儲量動態(tài)監(jiān)測中的適用性。

1.精度分析

表2為無人機(jī)方式和傳統(tǒng)測量方式對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑儲量變化結(jié)果的統(tǒng)計表。以傳統(tǒng)測量方式獲得結(jié)果為真值，其偏差量為傳統(tǒng)測量所得結(jié)果減去無人機(jī)攝影測量結(jié)果;相對誤差為偏差量除以傳統(tǒng)測量所得結(jié)果。由表可得兩個礦區(qū)的動用儲量變化結(jié)果相對誤差分別為6.50%和0.12%，相對誤差均優(yōu)于10%，尤其是五洲四號礦7號采坑無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果的相對誤差優(yōu)于1%。軍嫂礦2012年1號采坑相對誤差較大，分析原因在于礦坑中存在著多處堆積，傳統(tǒng)測量方法計算堆積時按照規(guī)則錐體進(jìn)行計算，傳統(tǒng)測量方法是12 m2/個點和10 m2/個點，而無人機(jī)攝影測量對礦坑進(jìn)行逐像素測量，1 m2/100個點，擬合了完整的礦坑表面，生成分辨率為 0.1 m的 DEM，基于DEM計算開采量，結(jié)果更加準(zhǔn)確，導(dǎo)致兩種測量方式的結(jié)果存在偏差。

表2 無人機(jī)方式與傳統(tǒng)方式礦產(chǎn)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表

2.效率統(tǒng)計

表3為無人機(jī)攝影測量方式和傳統(tǒng)測量方式對軍嫂礦進(jìn)行礦產(chǎn)監(jiān)測所需時間的統(tǒng)計表。軍嫂礦面積0.471 km2，無人機(jī)攝影測量方式共布置5個像控點，交叉航拍獲取2400萬像素地面分辨率為0.06 m的原始照片220張，制作測區(qū)DOM和DEM1.2 km2，完成測區(qū)礦產(chǎn)監(jiān)測內(nèi)外業(yè)共需16 h(其中外業(yè)4 h，內(nèi)業(yè)12 h)。使用傳統(tǒng)方式對軍嫂礦進(jìn)行礦產(chǎn)監(jiān)測時按1∶1000測地形圖的方式進(jìn)行密集測點(每間隔30 m測量一個點)，完成礦產(chǎn)監(jiān)測共需要42 h(其中外業(yè)35 h，內(nèi)業(yè)7 h)。使用無人機(jī)攝影測量方式所需時間約是傳統(tǒng)測量方式的1/3，外業(yè)所需時間約是傳統(tǒng)測量方式外業(yè)所需時間的1/9，大大減少了外業(yè)工作量，降低了工作難度，提高了生產(chǎn)效率。同時無人機(jī)攝影測量幾乎不受地形的限制，而傳統(tǒng)測量方式在地形復(fù)雜的礦區(qū)效率會大大降低，甚至出現(xiàn)部分點無法完成測量的情況。

表3 無人機(jī)方式與傳統(tǒng)方式礦產(chǎn)監(jiān)測所需時間統(tǒng)計表 h

七、結(jié) 論

通過對礦山無人機(jī)監(jiān)測項目實施情況的整體分析，綜合運用地理空間分析和區(qū)域統(tǒng)計的方法分別對軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑進(jìn)行儲量動態(tài)變化評估，同時采用傳統(tǒng)礦山測量的方法評估了這兩個礦坑的動用儲量，得出的主要結(jié)論如下:

1)無人機(jī)礦山儲量動態(tài)監(jiān)測具有較好的可信度。軍嫂礦2012年1號采坑和五洲四號礦7號采坑無人機(jī)礦山監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)測量礦山監(jiān)測結(jié)果相對誤差分別為6.50%和0.12%，均優(yōu)于10%，可信度較高。

2)無人機(jī)攝影測量技術(shù)具有較高的機(jī)動靈活性，受地形限制小，能夠避免因地形復(fù)雜無法完成測量而產(chǎn)生盲區(qū)，大大降低了外業(yè)工作的勞動量和難度，完成礦產(chǎn)測量所需時間約是傳統(tǒng)測量方式的1/3，外業(yè)工作時間是傳統(tǒng)測量方式外業(yè)工作時間的1/9，大大減少了外業(yè)工作量，提高了生產(chǎn)效率，能夠在礦產(chǎn)儲量變化監(jiān)測這種小區(qū)域、低空領(lǐng)域充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3)無人機(jī)數(shù)據(jù)可以通過空三加密，在只測量少量控制點的情況下，獲得分辨率為0.1 m的DOM和DEM，相當(dāng)于每0.1 m進(jìn)行一次測量;而傳統(tǒng)的測量方式大比例尺測圖約30 m測量一個點，因此無人機(jī)工作效率更高且精度更可靠。

4)相比于傳統(tǒng)的礦山測量方式，無人機(jī)攝影測量可以獲取現(xiàn)場真實可靠的影像數(shù)據(jù)DOM和DEM，數(shù)據(jù)的真實性不容更改，可有效避免擅自更改數(shù)據(jù)，造成評估結(jié)果失實，嚴(yán)重?fù)p害國家和公眾利益的情況。可對各類礦業(yè)活動一目了然，使越界開采、無證開采和超量開采等違規(guī)行為無處藏身，對各種違法采礦活動具有較強(qiáng)的威懾作用。

5)只需在每年礦山開始施工前，完成一次攝影測量，通過GIS空間分析手段將所得無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)與上年施工前的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)對比分析，即可對每年礦山儲量進(jìn)行全面的動態(tài)監(jiān)測，且精度可靠，能夠及時為有關(guān)部門管理礦產(chǎn)開采提供執(zhí)法依據(jù)和技術(shù)支撐，使得礦產(chǎn)開采更加有序。

6)新疆礦產(chǎn)資源豐富，資源的有效開發(fā)與管理有著極大的意義，基于無人機(jī)礦山儲量動態(tài)監(jiān)測的特點，可以預(yù)見無人機(jī)礦山儲量動態(tài)監(jiān)測有很大的利用空間，而對它的開發(fā)和應(yīng)用也是勢在必行。

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