焦學(xué)軍，王金娜，宋會傳

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450000；2.河南省天空地遙感智能監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；3.河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測研究科技創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450000）

為了促進(jìn)礦產(chǎn)資源的有序開發(fā)和合理利用，全面提升露天礦山監(jiān)管水平，減少礦山越界開采造成國家礦產(chǎn)資源損失與可能帶來巨大的安全隱患，及時客觀地掌握礦山開發(fā)利用現(xiàn)狀[1]，結(jié)合2020年河南省國土廳自然資源科研項目《基于實景三維的露天礦山智能監(jiān)管示范研究》，采用傾斜攝影測量技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)、三維GIS技術(shù)、GNSS技術(shù)開展了露天礦山開采動態(tài)監(jiān)管方法研究。

通過河南省露天礦山礦業(yè)權(quán)現(xiàn)狀進(jìn)行實地核查，對示范礦山進(jìn)行三維傾斜測量，采集地表地形數(shù)據(jù)，并根據(jù)礦山地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行三維礦山建模，構(gòu)建地上下一體化的三維實景露天礦山，采用三維GIS技術(shù)實現(xiàn)實景三維與地下礦體三維一體化監(jiān)測、移動定位開采范圍監(jiān)測、超層與越界監(jiān)測與定量分析，及時糾正核查中發(fā)現(xiàn)的問題，強化礦業(yè)權(quán)監(jiān)督管理信息基礎(chǔ)，提高礦業(yè)管理水平，實現(xiàn)對全省露天礦山科學(xué)監(jiān)督與有效管理。查明超層越界開采造成的礦產(chǎn)資源破壞量，構(gòu)建動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)，綜合采用傾斜攝影測量、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和移動地理信息系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)了河南省露天礦山開采動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)，實現(xiàn)實景三維動態(tài)監(jiān)測“數(shù)據(jù)快速獲取、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、快速查處、及時反饋”的快速反應(yīng)機制，實現(xiàn)露天礦山開采范圍和儲量消耗變化的動態(tài)監(jiān)測管理，提高礦山開采動態(tài)管理的效率和水平[2-5]。

1 露天礦山三維實景建設(shè)

1.1 數(shù)據(jù)采集

1.1.1 傾斜攝影測量

1）像控點布設(shè)及測量。采用區(qū)域網(wǎng)布點法，按照4～5條基線，逐條航線布設(shè)平高像片控制點的原則進(jìn)行布點。像控點間距400 m以內(nèi)，對于特殊困難地區(qū)像控點間距進(jìn)行適當(dāng)放寬。利用河南省CORS系統(tǒng)，采用RTK測量模式快速靜態(tài)方式施測，采用無人機搭載五拼傾斜相機進(jìn)行傾斜攝影測量。

2）三維實景建模及DLG、DEM、DOM制作。采用ContextCapture完成航測的后期GIS數(shù)據(jù)處理，生成實景三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，采用專業(yè)軟件平臺三維測圖模塊同時加載實景三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，二三維聯(lián)動一體化進(jìn)行地形圖測繪生成DLG。

根據(jù)相機傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、控制點等信息，在進(jìn)行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應(yīng)的GIS成果。輸出格式包括OSGB、OBJ等?？罩腥菧y量計算是后期數(shù)據(jù)處理過程中的重要步驟，概略3D視圖幫助理解相片和拍攝場景的結(jié)構(gòu)，同時空間三角計算結(jié)果也是三維重建計算的基礎(chǔ)。

三維重建計算在指定坐標(biāo)系下完成，由于拍攝范圍大，影像數(shù)據(jù)多，完成重建需要計算機較大的內(nèi)存，應(yīng)根據(jù)計算機性能重建框架，調(diào)整重建范圍及瓦片大小，將原框架分為若干個大小相同的數(shù)據(jù)切塊，分塊進(jìn)行重建計算。

1.1.2 地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)

三維地質(zhì)建模體系結(jié)構(gòu)一般可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)應(yīng)用3個階段。以礦山業(yè)務(wù)流程中數(shù)據(jù)流與功能流的運動過程為依據(jù)，可建立如圖1所示的礦山三維建模系統(tǒng)構(gòu)架。

圖1 地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)建模流程

l）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以鉆孔等勘測數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合專家信息，承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)量控制與更新。

2）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集中存儲與管理。由于礦山數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)間關(guān)系復(fù)雜，因此可采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫或其他類型電子文檔等多種方式組織礦山數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)各地質(zhì)體建模需要，從數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中讀取建模數(shù)據(jù)，具有模型建立、顯示、分析與輸出等功能，為礦山業(yè)務(wù)管理和決策所需的各類工程計算與應(yīng)用分析提供服務(wù)。

1.2 實景三維與地下礦體建模

三維建模包括三維矢量模型、三維柵格模型、混合集成模型3種方法，三維矢量模型是用一些基元及其組合來表示三維空間。三維柵格模型亦稱體模型，是基于體元表示的數(shù)據(jù)模型，混合集成模型則是面向記錄的數(shù)據(jù)語義模型[6]。

本文采用的建模方式包括三維矢量模型與三維柵格模型，其中三維地形采用瓦片影像模式三維柵格模型，便于大范圍模型的顯隱，采用了LOD技術(shù)，而三維地層巖層礦體則采用三維矢量模型，便于三維量測與統(tǒng)計。

1）地形建模流程。采用三維傾斜攝影生產(chǎn)osgb格式的三維地表影像模型與DSM、（數(shù)字地表模型）、DOM（數(shù)字正射模型），在ArcGIS組件ArcSCEN中采用DSM拉伸表示地形，DOM同步表示地表紋理，生產(chǎn)三維地表模型。

2）礦體建模流程?；谄拭娴牡V山三維重構(gòu)是利用一系列勘探剖面，通過提取剖面上礦山空間實體的邊界，利用輪廓線生成算法，構(gòu)建三維地質(zhì)體模型的建模方法?；谄拭娴牡V山三維重構(gòu)是利用剖面上大量的點、線信息表達(dá)各個層面，進(jìn)而來構(gòu)建三維地質(zhì)體的建模方法。剖面上的點、線信息屬于某特定地層、斷層、礦體邊界。此方法的建模步驟總體上分為三部分：剖面信息預(yù)處理、空間知識庫的建立、礦山三維重構(gòu)[7]。

采用MapGIS地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，首先統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，把地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)與上述地表傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，將勘探線導(dǎo)入到3dmine軟件中，作為地下礦體建模的骨架；然后將勘探線上對應(yīng)的剖面圖導(dǎo)入3dmine軟件中，利用平面2點坐標(biāo)調(diào)換，根據(jù)剖面圖上垂向尺度數(shù)字，將XY坐標(biāo)投到正確位置，然后利用坐標(biāo)調(diào)換yz，將二維剖面圖投影到三維空間，采用剖面圖標(biāo)有坐標(biāo)值的坐標(biāo)格網(wǎng)特征點，坐標(biāo)值利用兩點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把XY坐標(biāo)投轉(zhuǎn)到正確的空間位置。最后利用空間三角網(wǎng)實現(xiàn)相鄰剖面之間的連接，首尾剖面實現(xiàn)擴展外推閉合，最終形成閉合的三維礦體模型。

3）礦證范圍三維建模。根據(jù)地勘報告中采礦證范圍拐點坐標(biāo)，統(tǒng)一到傾斜數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)下，采用投點連線構(gòu)面方式生成采礦證范圍面，然后轉(zhuǎn)換成含高程的矢量面，高程即選擇采礦證最低高程。在ArcSECEN中對采礦證范圍進(jìn)行拉伸，拉伸高度為采礦證高差（如圖2）。

圖2 三維地質(zhì)體構(gòu)建

1.3 地上下三維一體化三維實景

根據(jù)二維地下空間三維數(shù)據(jù)，對二維圖形進(jìn)行拉伸和造型，自動構(gòu)建地下空間設(shè)施的三維模型。

以地上空間設(shè)施的地形為參照，將地上空間設(shè)施的三維模型與地下礦體的三維模型的最頂層界面進(jìn)行求交裁剪，實現(xiàn)地上空間設(shè)施與地下空間設(shè)施的無縫集成建模，獲取地上地下三維一體化模型（如圖3）。

圖3 地上下三維一體化

在3dmine中，導(dǎo)出三維礦體模型，并轉(zhuǎn)換為3ds格式，導(dǎo)入到ArcSECEN軟件中，實現(xiàn)與地表模型及采礦證范圍模型的整合。

2 露天礦山監(jiān)管

2.1 開采量監(jiān)測

礦體模型與采礦證范圍三維模型空間疊合，并與三維地形模型套合，形成地上下一體化模型，可以采用定性與定量的方法進(jìn)行礦體開采計算與判斷（如圖4）。

圖4 采礦證與礦體三維整合分析

首先是礦體模型與采礦證范圍模型進(jìn)行相交運算，獲得許可開采的礦體部分，并可以計算礦體總體積、總重量。其次將礦體模型與地表模型進(jìn)行分割運算，地表上部是已經(jīng)開采的部分，地表下面為未開采部分。把開采部分模型與采礦證范圍模型進(jìn)行相減運算，剩余部分大于0則存在超采，并可以獲得超采體積與重量（如圖5）。

圖5 開采現(xiàn)狀分析

2.2 移動定位開采活動監(jiān)測

利用礦山安全生產(chǎn)系統(tǒng)人員及設(shè)備定位設(shè)備的實時位置信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)器，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，生成統(tǒng)一傾斜攝影數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)，然后投點上圖（如圖6），根據(jù)人員設(shè)備三維位置信息與采礦證范圍進(jìn)行三維空間運算，根據(jù)人員設(shè)備的位置與軌跡判斷礦山開采活動范圍及其是否越界、是否超層開采，作為管理機構(gòu)的執(zhí)法依據(jù)。

圖6 定位于軌跡監(jiān)測

2.3 超層與越界監(jiān)測與定量分析

利用傾斜攝影三維地表模型，與采礦證范圍三維模型進(jìn)行疊合，采礦證范圍最低高程面渲染紅色，最高高程面渲染綠色。地表模型與采礦證范圍空間相交，顯示顏色可以定性判斷開采是否超層（如圖7）。

圖7 超層與越界監(jiān)測

超層面積計算采用射線監(jiān)測方式：

設(shè)最低可采平面的直線方程（法線式）：x·cosα+y·sinα-d=0（α為直線傾斜角，d為原點到該直線的最短距離）。

空間的方程：x·cosα+y·cosβ+z·cosγ-d=0（α、β、γ為平面繞3個軸的旋轉(zhuǎn)角，d為原點到該平面的最短距離）

射線從最低可采平面內(nèi)一點o發(fā)射，方向向量為f，則有射線r公式：

碰撞檢測的平面公式：

式中，P為最低可采平面上任意點；n為平面的法向量的方向余弦；d為原點到該平面的距離。

根據(jù)射線相交公式求出在射線與平面相交位置，并從屏幕坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為碰撞物體的本地坐標(biāo)后，可以進(jìn)行碰撞檢測，并求出碰撞交點。

采用射線技術(shù)，由超層紅色面中心向四周發(fā)射射線群，與地表模型相交產(chǎn)生交點群，交點群順序連接生成超層面，進(jìn)而可以計算超層面積。由超層范圍內(nèi)三維地表模型采集各像素高程坐標(biāo)，與采礦證最低高程進(jìn)行減法運算，并累計獲得超層體積（如圖8）。

圖8 超層與越界開采計算

2.4 歷史動態(tài)監(jiān)測

加載不同時期的遙感影像與不同時期的礦山解譯數(shù)據(jù)，并對某一區(qū)域或某一類礦山單元的變化動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測礦山圖斑的變化范圍、變化趨勢、變化動態(tài)、面積比例。

3 結(jié)語

通過傾斜攝影測量構(gòu)建實時的三維實景，準(zhǔn)確反映了露天礦山開采現(xiàn)狀，利用地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，構(gòu)建地下礦體模型，與三維實景實現(xiàn)地上下三維模型整合，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確分析、計算、統(tǒng)計露天礦山儲量、開采量、越界與超層開采量及人員設(shè)備運行軌跡，并可以通過多期測量實現(xiàn)露天礦山開采狀況的歷史跟蹤，為露天礦山開采監(jiān)管提供行之有效的技術(shù)手段。