陳志勇，張好賢，張 暉

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪勘查院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

礦產(chǎn)資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，資源的有效開發(fā)與管理已成為礦產(chǎn)相關(guān)部門主要職責(zé)。但是，由于利益的驅(qū)使，使得一些企業(yè)無視政府部門的政策和法規(guī)，肆意、過度開采國(guó)家礦產(chǎn)資源，造成國(guó)家礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)和周圍地質(zhì)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。因此，礦山開采測(cè)量監(jiān)測(cè)越來越受到業(yè)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視[1]。在露天礦山的開采階段，利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)定期對(duì)露天礦山的開采范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)防和制止越界開采行為的發(fā)生，為礦山資源合理利用和有效監(jiān)督管理提供了科學(xué)的指導(dǎo)和重要依據(jù)。

當(dāng)前，露天礦山越界開采監(jiān)測(cè)一般采用傳統(tǒng)的全站儀和GPS相結(jié)合的全野外數(shù)字測(cè)量方式通過定期野外實(shí)地測(cè)量獲取礦山實(shí)時(shí)范圍坐標(biāo)信息，然后經(jīng)過地面數(shù)據(jù)處理終端分析得出越界開采范圍。這種方式由于露天礦坑運(yùn)輸繁忙、灰塵大，測(cè)點(diǎn)經(jīng)常被推土機(jī)、電鏟等設(shè)備破壞，導(dǎo)致測(cè)量工作量大、工期長(zhǎng)，甚至容易引發(fā)安全事故，對(duì)外業(yè)測(cè)量人員的生命安全形成了較大的威脅[2]。為了解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段帶來的難題，本文提出了一種利用無人機(jī)飛行器搭載定位導(dǎo)航設(shè)備利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)獲取任務(wù)區(qū)航攝相片，通過處理得到高分辨率影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)礦山越界開采的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法在保證測(cè)量工作快速、準(zhǔn)確完成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山越界開采的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)免像控航測(cè)作業(yè)，免去實(shí)地測(cè)量帶來的麻煩[3]。

1 礦山越界開采監(jiān)測(cè)方法

1.1 傳統(tǒng)無人機(jī)監(jiān)測(cè)方法

傳統(tǒng)利用無人機(jī)進(jìn)行礦山越界開采的方法主要是以提前設(shè)定飛行參數(shù)的無人飛行器在空中完成任務(wù)區(qū)的拍攝工作，然后采用野外鋪設(shè)地面標(biāo)識(shí)點(diǎn)的方式通過GPS進(jìn)行控制測(cè)量。然后在地面數(shù)據(jù)處理端完成內(nèi)業(yè)空三加密、任務(wù)區(qū)正射影像和三維模型的制作，最后采集比對(duì)已報(bào)批任務(wù)區(qū)礦山開采范圍，得到任務(wù)區(qū)越界開采區(qū)域的位置和面積信息。這種方式雖然在一定程度上提高了監(jiān)測(cè)效率，但是因?yàn)橐巴饪刂茰y(cè)量測(cè)點(diǎn)經(jīng)常被推土機(jī)、電鏟等設(shè)備破壞，導(dǎo)致測(cè)量工期長(zhǎng)、效率低，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員的安全有一定的隱患。這就從工作環(huán)節(jié)上導(dǎo)致了整個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)的進(jìn)度嚴(yán)重滯后，使得無人飛行器機(jī)動(dòng)靈活、操作便捷、快速響應(yīng)等的優(yōu)點(diǎn)沒有真正的得到發(fā)揮。

1.2 RTK與無人機(jī)相結(jié)合監(jiān)測(cè)方法

為了克服傳統(tǒng)無人機(jī)礦山越界開采監(jiān)測(cè)方法的諸多弊端，提高監(jiān)測(cè)的效率。本文提出一種利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)(RTK)進(jìn)行露天礦山越界開采測(cè)量監(jiān)測(cè)，在保證測(cè)量工作快速、準(zhǔn)確完成對(duì)露天礦山越界開采實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了從空中對(duì)任務(wù)區(qū)進(jìn)行拍攝和控制測(cè)量，免去了實(shí)地測(cè)量帶來的諸多安全隱患[4]。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)是利用載波相位實(shí)時(shí)處理測(cè)站點(diǎn)之間觀測(cè)量的差分方法。通過在無人飛行器上搭載拍攝裝置和定位導(dǎo)航設(shè)備，沿設(shè)定飛行線路或者條帶航攝相片，無人飛行器在拍照的瞬間每張照片的精確位置和姿態(tài)都能夠得到精確解算。這就在很大程度上代替了野外控制測(cè)量的環(huán)節(jié)，從根本上提高了監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。

利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的露天礦山越界開采測(cè)量監(jiān)測(cè)設(shè)備由無人飛行器、遙控終端和地面數(shù)據(jù)處理終端組成。無人飛行器和遙控終端通過無線通信連接進(jìn)行信號(hào)傳輸，遙控終端和地面數(shù)據(jù)處理終端通過USB3.1數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

無人飛行器由嵌入無人機(jī)內(nèi)部的主控制器、IMU模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、存儲(chǔ)模塊、動(dòng)力模塊和設(shè)置在無人機(jī)機(jī)體外部的RTK定位導(dǎo)航模塊、CMOS相機(jī)模塊組成；主控制器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊接收所述遙控終端發(fā)送的飛行拍攝指令，主控制器通過控制CMOS相機(jī)模塊獲取露天礦山范圍的所有影像，主控制器通過RTK定位導(dǎo)航模塊在CMOS相機(jī)拍攝瞬間獲取每一幅影像的實(shí)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)，也就是影像中心點(diǎn)位置，主控制器在遙控終端網(wǎng)絡(luò)模塊提供的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下獲取實(shí)時(shí)衛(wèi)星差分信號(hào)，也就是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)改正后的當(dāng)前影像中心點(diǎn)位置；IMU模塊獲得CMOS相機(jī)拍攝每張影像瞬間相機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)模塊寫入和存儲(chǔ)飛行參數(shù)、CMOS相機(jī)模塊畸變校正參數(shù)、獲取影像數(shù)據(jù)、影像的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，動(dòng)力模塊提供無人飛行器供電以及按照規(guī)劃路徑低空移動(dòng)。

地面遙控終端在無人飛行器飛行監(jiān)測(cè)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)無人飛行器的實(shí)施操控。遙控終端可通過USB3.1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與地面數(shù)據(jù)處理終端建立通信連接，實(shí)現(xiàn)遙控終端RTK應(yīng)用模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無人飛行器完成飛行拍攝任務(wù)后，利用有線傳輸?shù)姆绞綄o人飛行器存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)處理終端。

地面數(shù)據(jù)處理終端由空三加密算法器、成果處理轉(zhuǎn)換器和監(jiān)測(cè)結(jié)果分析算法器組成。無人飛行器設(shè)備獲取的影像數(shù)據(jù)、飛行參數(shù)、影像位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)通過地面數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行處理得到露天礦山范圍內(nèi)的原始影像數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊成果處理輸出單元可將原始影像數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)測(cè)需求進(jìn)一步進(jìn)行處理，得到有針對(duì)性的成果數(shù)據(jù)，如數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字地面模型(DTM)；數(shù)據(jù)處理模塊監(jiān)測(cè)結(jié)果分析展示單元可提取當(dāng)前露天礦山的實(shí)際開采范圍與已報(bào)批的開采范圍進(jìn)行疊加分析，得到露天礦山越界開采的準(zhǔn)確范圍，如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)進(jìn)行礦山越界開采監(jiān)測(cè)流程圖Fig.1 Flow of mine cross-border mining monitoring by means of RTK

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

研究礦區(qū)位于蘭州市紅古區(qū)某鎮(zhèn)內(nèi)，地形為山地，平均海拔約1 500 m。該礦區(qū)在相關(guān)礦管部門報(bào)批的開采范圍約為120畝，通過實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)其實(shí)際開采范圍已越界，需準(zhǔn)確獲取越界范圍以及位置，但因礦區(qū)地形復(fù)雜、交通不便利，傳統(tǒng)作業(yè)方法操作難度大。為了達(dá)到定期、準(zhǔn)確、高效和節(jié)省人力的目的，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)對(duì)該露天礦山越界開采范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次越界開采監(jiān)測(cè)選用大疆搭載厘米級(jí)導(dǎo)航定位設(shè)備和高性能成像設(shè)備的多旋翼無人機(jī)飛行器。本次飛行時(shí)間為2020年5月6日，面積約為0.43 km2，設(shè)計(jì)航高100 m，航向重疊度為75%，旁向重疊度為75%，共飛行2個(gè)架次，用時(shí)30 min，共獲取120張照片。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程主要包括獲取照片匹配、空中三角測(cè)量和生成正射影像，其中影像的分辨率為0.1 m。將獲取照片、POS數(shù)據(jù)以及相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入地面數(shù)據(jù)處理終端，進(jìn)行全自動(dòng)數(shù)據(jù)生產(chǎn)，最終得到任務(wù)區(qū)DOM數(shù)據(jù)?？紤]到部分區(qū)域存在陰影遮擋影響越界開采范圍的采集，用DOM數(shù)據(jù)通過Smart3D進(jìn)行三維實(shí)景建模，最大程度地做到監(jiān)測(cè)范圍的準(zhǔn)確提取。

2.3 礦山越界監(jiān)測(cè)

將本次獲取的DOM與2015年航空攝影獲取的0.2 m分辨率DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行套合，通過與已報(bào)批的矢量范圍進(jìn)行比較，可快速、按需生產(chǎn)相關(guān)礦管部門所需的成果數(shù)據(jù)。2020年DOM和2015年DOM的對(duì)比，如圖2所示。監(jiān)測(cè)矢量成果圖，如圖3所示。

圖2 2020年DOM和2015年DOM的對(duì)比Fig.2 Comparisons of DOM in 2015 and 2020

圖3 監(jiān)測(cè)矢量成果Fig.3 Monitoring vector results

2.4 成果數(shù)據(jù)精度檢測(cè)

通過地面數(shù)據(jù)處理終端獲取任務(wù)區(qū)DOM數(shù)據(jù)后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)生成的DOM數(shù)據(jù)精度可靠性，按照任務(wù)區(qū)位置大小，在DOM上選取5個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)記錄坐標(biāo)位置，與外業(yè)通過RTK設(shè)備單點(diǎn)測(cè)量獲取的相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的5組坐標(biāo)值進(jìn)行比較。得出結(jié)果，如表1所示。

表1 DOM精度檢測(cè)結(jié)果表

由精度檢測(cè)結(jié)果分析得出：本次獲取的DOM數(shù)據(jù)在X方向上最大誤差為0.41 m，最小誤差為0.08 m；Y方向上最大誤差為0.40 m，最小誤差為0.12 m；均滿足1∶1 000數(shù)字航空測(cè)量規(guī)范和1∶1 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)字化成果規(guī)定的限差要求(小于0.6 m)，也滿足相關(guān)礦管部門對(duì)監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)的需求。

3 結(jié)束語

綜上所述，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的露天礦山越界開采監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過搭載厘米級(jí)導(dǎo)航定位設(shè)備和高性能成像設(shè)備的多旋翼無人機(jī)飛行器，實(shí)時(shí)、迅速地獲取露天礦山范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，并且在獲取露天礦山范圍影像的同時(shí)，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，改正影像中心點(diǎn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，得到厘米級(jí)影像數(shù)據(jù)成果；避免了以往監(jiān)測(cè)露天礦山過程中人工野外測(cè)量工作產(chǎn)生的安全問題，同時(shí)基于RTK技術(shù)的定位導(dǎo)航模塊，很大程度上提高了獲取數(shù)據(jù)的地面分辨率和位置精度，地面數(shù)據(jù)處理終端通過人工交互方式獲取當(dāng)前露天礦山實(shí)際開采范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山越界開采范圍的快速、準(zhǔn)確提取。為相關(guān)礦管部門建立露天礦山越界開采監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)庫、打擊越界開采行為、建立健全礦山治理體系提供有力的技術(shù)保障和可靠的數(shù)據(jù)支撐。