章夢(mèng)霞，鄭新奇，劉 波

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京100083； 2. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

無(wú)人機(jī)影像支持的礦區(qū)開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

章夢(mèng)霞1，鄭新奇1，劉 波2

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，北京100083； 2. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

長(zhǎng)期的不合理開(kāi)發(fā)與利用使得我國(guó)礦區(qū)環(huán)境問(wèn)題尤為突出，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以有效減少礦業(yè)活動(dòng)所帶來(lái)的負(fù)面影響。傳統(tǒng)的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)多采用實(shí)地考察、逐級(jí)報(bào)告的工作方式，不但需要大量的人力、物力和時(shí)間，而且在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)難以作出及時(shí)的反應(yīng)，因此需要尋找一種能夠滿足當(dāng)前礦區(qū)監(jiān)測(cè)工作要求的方法。本文利用無(wú)人機(jī)獲取礦區(qū)高空間分辨率影像來(lái)進(jìn)行礦區(qū)開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；獲取的影像通過(guò)Agisoft PhotoScan Pro軟件的SFM三維重建技術(shù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了影像的快速拼接，以及高質(zhì)量的數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字正射影像圖(DOM)的快速生成；最后利用ArcGIS軟件的GIS方法得到不同時(shí)期的DEM高程變化情況及填挖方量，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本次研究成果客觀，可為礦區(qū)相關(guān)部門管理與規(guī)劃礦區(qū)的開(kāi)采現(xiàn)狀提供有效的資料依據(jù)。

無(wú)人機(jī)；SFM三維重建技術(shù)；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；數(shù)字高程模型；數(shù)字正射影像

在過(guò)去的幾十年中，隨著礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，礦山開(kāi)采所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題不僅嚴(yán)重影響著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和正常的生活秩序，而且在某些地區(qū)已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此，對(duì)礦山資源開(kāi)發(fā)利用狀況、礦產(chǎn)資源規(guī)劃執(zhí)行情況和礦山環(huán)境進(jìn)行調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)獲取客觀的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成綜合分析報(bào)告，有利于為相關(guān)部門在保持礦山的可持續(xù)發(fā)展、制定礦山開(kāi)發(fā)和管理規(guī)劃、維護(hù)礦山秩序及綜合治理礦山環(huán)境等方面提供技術(shù)支撐及決策依據(jù)[1]。

由于人工實(shí)地調(diào)查存在需要大量的人力、物力和財(cái)力投入，以及很多地方難以巡查到位的情況，導(dǎo)致人工實(shí)地調(diào)查容易受到人為因素的干擾，效率較為低下[2]；而衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)，現(xiàn)勢(shì)性不夠，且衛(wèi)星影像的分辨率低影響判別準(zhǔn)確性；利用有人駕駛飛機(jī)的普通航空遙感所獲取的影像雖然分辨率較高，但是受到了氣候等外界因素制約，對(duì)時(shí)間要求緊迫的監(jiān)測(cè)任務(wù)較難保障，而且成本較高[3]。近年來(lái)，迅速發(fā)展起來(lái)的無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影技術(shù)為礦區(qū)開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了新的道路。無(wú)人機(jī)靈活性高，受天氣影響小，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效果好、準(zhǔn)確度高，因此無(wú)人機(jī)遙感非常適用于某些特定范圍內(nèi)需要進(jìn)行快速精確監(jiān)測(cè)的礦區(qū)調(diào)查任務(wù)，對(duì)于人無(wú)法到達(dá)的地形復(fù)雜地區(qū)，或多云霧、氣候條件較差的地區(qū)來(lái)說(shuō)，使用無(wú)人機(jī)遙感開(kāi)展礦區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì)[4]。

本文以X礦區(qū)為例，通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取礦區(qū)不同時(shí)間的高空間分辨率影像，利用Agisoft PhotoScan Pro軟件的三維重建技術(shù)(structure from motion,SFM)處理影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)影像的快速拼接及高質(zhì)量數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)的快速建立；最后通過(guò)ArcGIS軟件的GIS分析方法對(duì)不同時(shí)期的數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行分析處理，為礦區(qū)相關(guān)部門管理與規(guī)劃礦區(qū)的開(kāi)采現(xiàn)狀提供有效的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

X礦區(qū)位于浙江省湖州市，西側(cè)有杭寧高速公路、東苕溪水運(yùn)通道及洛舍至乾元鄉(xiāng)村水泥公路。該礦區(qū)屬浙北杭嘉湖平原殘丘地貌，區(qū)內(nèi)地形為呈南東向展布的山梁，區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)位于礦區(qū)東南側(cè)，海拔86 m，最低點(diǎn)位于礦區(qū)南東側(cè)山間平地，海拔4.29 m，相對(duì)最大高差達(dá)81.71 m。地形自然坡度為9°～30°，局部較陡。由于前期礦山開(kāi)采不規(guī)范，部分邊坡坡度較陡、高差大，危巖、浮石殘存，邊坡時(shí)有崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生；礦區(qū)西北側(cè)及東北側(cè)殘存大量堆土，無(wú)任何安全穩(wěn)定措施，有引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，存在安全隱患；同時(shí)礦區(qū)南部裸露的坡面在杭寧高速可視范圍內(nèi)，嚴(yán)重影響了視覺(jué)景觀。因此，急需對(duì)X礦區(qū)開(kāi)采狀況進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 礦區(qū)開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)動(dòng)信息中SFM是一種有效、低成本的地形測(cè)量工具，其算法極大方便了使用無(wú)人機(jī)獲取的照片制作詳細(xì)的地形模型[5-6]。SFM三維重建技術(shù)與傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)有著本質(zhì)上的區(qū)別，SFM方法基于像對(duì)間的特征匹配數(shù)據(jù)，通過(guò)迭代光束平差過(guò)程自動(dòng)求解相機(jī)方位和場(chǎng)景幾何形態(tài)等信息[7]，其主要技術(shù)方法如下：

(1) 每張影像均利用SIFT算子提取特征點(diǎn)[8]，并獲取其對(duì)應(yīng)的Descriptor。

(2) 利用POS或其他約束關(guān)系選出可能具有重疊關(guān)系的像對(duì)。

(3) 對(duì)每一像對(duì)Descriptor進(jìn)行匹配，并利用RANSAC算法進(jìn)行粗差剔除，消除誤匹配[9]。

(4) 基于計(jì)算機(jī)多目視覺(jué)原理，將各像對(duì)匹配的同名像點(diǎn)連接統(tǒng)一起來(lái)，在逐次平差迭代過(guò)程中剔除粗差，估算出視覺(jué)場(chǎng)景中相機(jī)和由匹配點(diǎn)形成的稀疏點(diǎn)云的相對(duì)位置。

(5) 結(jié)合相機(jī)的GPS和像控點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通過(guò)DLS算法來(lái)獲取相機(jī)和稀疏點(diǎn)云的真實(shí)空間位置[10]。

2.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流程

本研究以X礦區(qū)為例，進(jìn)行礦區(qū)開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。首先，利用無(wú)人機(jī)獲取高空間分辨率影像；然后將所獲取的高空間分辨率影像利用AscTec Navigator軟件完成數(shù)據(jù)預(yù)處理及Agisoft PhotoScan Pro軟件的SFM三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)影像的快速拼接，以及DEM與DOM的快速建立[11]；最后利用ArcGIS軟件對(duì)不同時(shí)期的DEM模型進(jìn)行分析處理比較及填挖方的計(jì)算。如圖1所示。

圖1 礦區(qū)監(jiān)測(cè)流程

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取X礦區(qū)的高空間分辨率影像，研究處理的影像共有3期，分別為2015年6月30日、2016年1月15日及2016年3月14日。

在無(wú)人機(jī)航攝監(jiān)測(cè)前，需在礦區(qū)選擇明顯穩(wěn)固的特征點(diǎn)作為像片控制點(diǎn)，利用已知少量的地面控制點(diǎn)建立圖像空間坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)世界空間坐標(biāo)之間的空間變換矩陣[12]。本研究共布設(shè)與施測(cè)了5個(gè)像片控制點(diǎn)，像控點(diǎn)最大誤差為10 mm，最小誤差為5 mm，符合相關(guān)精度要求。

本文所用的無(wú)人機(jī)為AscTec Falcon8無(wú)人機(jī)，最大飛行速度為16 m/s，巡航速度為10 m/s，相機(jī)分辨率為3600萬(wàn)像素。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行后需要將無(wú)人機(jī)所獲取的影像進(jìn)行預(yù)處理，最主要的就是完成相片與相應(yīng)航線上點(diǎn)的匹配，使其能順利導(dǎo)入后期數(shù)據(jù)處理軟件中。

2.2.2.2 DOM與DEM的生成

由于無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定性，所獲取的影像存在畸變嚴(yán)重、旋片角大等問(wèn)題[13]。而Agisoft PhotoScan Pro軟件能夠自動(dòng)計(jì)算出照片的位置、姿態(tài)等，并自動(dòng)完成其內(nèi)定向、相對(duì)定向及絕對(duì)定向，不需要人為干預(yù)。Agisoft PhotoScan Pro軟件是由俄羅斯Agisoft公司所研發(fā)的一款將2D圖片轉(zhuǎn)換為3D模型的三維圖片重建軟件。首先，PhotoScan使用高效的圖像特征匹配及跟蹤技術(shù)尋找和匹配不同圖像間的公共點(diǎn)；然后，該軟件利用這些公共點(diǎn)自動(dòng)解算圖像的空間位置，并根據(jù)立體攝影測(cè)量方法重構(gòu)3D場(chǎng)景，被重構(gòu)的區(qū)域至少在2個(gè)不同視角的圖像中可見(jiàn)[14]。Agisoft PhotoScan Pro實(shí)現(xiàn)了用SFM三維重建技術(shù)構(gòu)建SFM三維地形數(shù)據(jù)，其最大的優(yōu)勢(shì)是集成了所有SFM數(shù)據(jù)處理流程，而其他方法要結(jié)合多個(gè)獨(dú)立的程序才能建立最終的SFM三維地形數(shù)據(jù)。

Agisoft PhotoScan Pro軟件構(gòu)建三維地形數(shù)據(jù)的主要操作包括：導(dǎo)入相片、對(duì)齊相片、轉(zhuǎn)換相片坐標(biāo)、設(shè)置投影坐標(biāo)、添加野外測(cè)量的地面控制點(diǎn)、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理等，最后直接導(dǎo)出DOM及DEM。以礦區(qū)2016年3月14日為例，建立的DOM、DEM如圖2、圖3所示。

圖2 2016年3月14日的DOM

圖3 2016年3月14日的DEM

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 DEM的裁剪與色帶分類

Agisoft PhotoScan Pro軟件所建立的DOM和DEM是無(wú)人機(jī)飛行所獲取的整個(gè)大區(qū)域，需對(duì)其進(jìn)行裁剪，獲得研究范圍內(nèi)的DOM與DEM。此外，Agisoft PhotoScan Pro軟件生成的DEM是黑白色的，需對(duì)其進(jìn)行分類，并選擇合適的色帶加以區(qū)分。三期成果如圖4—圖6所示。

圖4 2015年6月30日

圖5 2016年1月15日

圖6 2016年3月14日

3.2 二期(1月15日)與初期(6月30日)對(duì)比分析

通過(guò)比較DEM高程變化，可以得到同一地面點(diǎn)不同時(shí)期的高程變化值，以此可以計(jì)算出不同時(shí)期礦區(qū)開(kāi)采動(dòng)態(tài)及填挖方量[15]。對(duì)二期的DEM與初期的DEM作相減運(yùn)算，得到二期與初期的DEM對(duì)比圖，再對(duì)其進(jìn)行顏色分類，中斷值手動(dòng)設(shè)置為-5、-3、3、5，選擇合適的顏色，得到最后的對(duì)比成果圖，如圖7所示。

圖7 二期與初期的對(duì)比分析圖

二期DEM減去初期DEM得到的分析圖，綠色區(qū)域?yàn)楸酒诟叱痰陀谏掀诘膮^(qū)域，橙色和紅色區(qū)域?yàn)楸酒诟叱谈哂谏掀诘膮^(qū)域。

對(duì)二期DEM與初期DEM作填挖方計(jì)算，并導(dǎo)出報(bào)表，見(jiàn)表1。

表1 填挖方報(bào)表

續(xù)表1

通過(guò)計(jì)算可得，已回填土方約34.9萬(wàn)m3，已開(kāi)挖土方約9.84萬(wàn)m3。經(jīng)像片查看及咨詢，大部分高出區(qū)域是由臨時(shí)堆積石料造成的，但由于該礦區(qū)目前存在很大的環(huán)境問(wèn)題，因此出現(xiàn)中心區(qū)域大面積的回填，但四周仍存在大面積超挖現(xiàn)象。

3.3 三期(3月14日)與二期(1月15日)對(duì)比分析

對(duì)三期的DEM與二期的DEM作相減運(yùn)算，得到三期與二期的DEM對(duì)比圖，再對(duì)其進(jìn)行顏色的分類，中斷值手動(dòng)設(shè)置為-5、-3、3、5，選擇合適的色帶，得到最后的對(duì)比成果圖，如圖8所示。

圖8 本期與二期的對(duì)比分析圖

三期DEM減去二期DEM得到的分析圖，綠色區(qū)域?yàn)楸酒诟叱痰陀谏掀诘膮^(qū)域，橙色和紅色區(qū)域?yàn)楸酒诟叱谈哂谏掀诘膮^(qū)域。

對(duì)三期DEM與二期DEM作填挖方計(jì)算，并導(dǎo)出報(bào)表，見(jiàn)表2。

通過(guò)計(jì)算可得，已回填土方約9.69萬(wàn)m3，已開(kāi)挖土方約7.95萬(wàn)m3。相比上一時(shí)間段，此時(shí)段填挖方明顯減少，主要有三個(gè)地方存在超挖現(xiàn)象：

(1) 在礦區(qū)西部附近存在超深區(qū)域，比二期低約3～8 m。

(2) 在礦區(qū)西南部附近存在超深區(qū)域，比二期低約3～13 m。

(3) 在礦區(qū)東部存在超深區(qū)域，比二期低約3～11 m。

表2 填挖方報(bào)表

4 結(jié)論與展望

無(wú)人機(jī)靈活性高，受天氣影響小，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效果好，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高，因此無(wú)人機(jī)遙感非常適用于某些特定范圍內(nèi)需要進(jìn)行快速精確監(jiān)測(cè)的礦區(qū)調(diào)查任務(wù)，對(duì)于人無(wú)法到達(dá)的地形復(fù)雜地區(qū)，或多云霧、氣候條件較差的地區(qū)來(lái)說(shuō)，使用無(wú)人機(jī)遙感開(kāi)展礦區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

但是由于無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定性，所獲取的影像存在著畸變嚴(yán)重、旋片角大等問(wèn)題。Agisoft PhotoScan Pro軟件基于攝影測(cè)量的基本原理，利用SFM三維重建技術(shù)，將所獲取的無(wú)人機(jī)影像通過(guò)一系列的處理流程實(shí)現(xiàn)影像的快速拼接及高質(zhì)量的數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字正射影像(DOM)的快速建立。

最后對(duì)不同時(shí)期的數(shù)字高程模型進(jìn)行高程的對(duì)比分析處理及填挖方計(jì)算，以此得知礦區(qū)開(kāi)采狀況，為礦區(qū)相關(guān)部門管理與規(guī)劃礦區(qū)的開(kāi)采現(xiàn)狀提供有效的資料依據(jù)。

由于時(shí)間和空間的限制，試驗(yàn)結(jié)果不夠豐富，沒(méi)有對(duì)產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果的原因作出解釋，也沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，未能得出此礦區(qū)現(xiàn)存在的環(huán)境問(wèn)題相應(yīng)的治理方案。

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DynamicMonitoringMethodforMiningAreaBasedonUAVImages

ZHANG Mengxia1，ZHENG Xinqi1，LIU Bo2
(1. Information Technology Institute, China University of Geosciences Beijing, Beijing 100083, China; 2. Surveying Engineering Institute, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

Due to the unreasonable development and utilization of the mining area, the mining area environmental problems are particularly prominent. And the dynamic monitoring of the mining area can effectively reduce the negative impact of mining activities.Traditional mine environmental monitoring adopts field inspection and step-by-step reporting, which requires not only a great deal of manpower, material and time, but also a timely response to problems, so it is necessary to find a way to meet the current mine monitoring required method. In this paper, the unmanned aerial vehicle (UAV) is used to acquire the high spatial resolution image of a mining area for dynamic monitoring of mining area. The images are processed by structure from Motion of Agisoft PhotoScan Pro software, which realize the fast mosaic of images and the rapid generation of digital elevation model and digital orthophoto map. Finally, we use ArcGIS software GIS method to obtain the DEM elevation changes in different periods and the amount of fill and excavation, to achieve dynamic monitoring of mining area. The results of the study are objective,which can provide effective data for the relevant departments of the mining area to manage and plan the exploitation status of the mining area.

UAV; structure from motion; dynamic monitoring; DEM; DOM

章夢(mèng)霞，鄭新奇，劉波.無(wú)人機(jī)影像支持的礦區(qū)開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(10)：43-47.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0314.

2017-02-10

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201511010)

章夢(mèng)霞(1994—)，女，碩士生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)與技術(shù)。E-mail:zxqsd@126.com

鄭新奇

P231；P258

A

0494-0911(2017)10-0043-05