朱守信，李軍吉，梁作前

（1. 紹興市勘察測繪院，浙江 紹興 312000；2. 紹興市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理中心，浙江 紹興 312000）

礦山是與國民經(jīng)濟發(fā)展息息相關的不可再生資源。露天礦山開發(fā)不僅是礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，還包括開發(fā)中的礦山修復工作，而這些工作的開展離不開相關部門的監(jiān)測工作。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段單一、作業(yè)效率低、危險性高，如何快速、高效、安全地對礦山開采實施動態(tài)監(jiān)測是亟需解決的問題[1]。與傳統(tǒng)測量技術相比，無人機傾斜攝影測量技術具有快速、靈活的特點，特別是在山區(qū)等人員不易到達的區(qū)域，無人機可憑借其靈活和自主飛行的優(yōu)勢實現(xiàn)自動化測繪[2-3]；無人機傾斜攝影成果具有真實性和高精度，多鏡頭傳感器的數(shù)據(jù)采集方式保證了其可從垂直、側(cè)面等多個角度采集目標紋理信息，影像分辨率高、紋理細節(jié)突出；能與其他數(shù)據(jù)資源相結合，通過系統(tǒng)平臺進行二次開發(fā)，實現(xiàn)在線實時瀏覽、編輯、管理與應用分析。

1 無人機監(jiān)測露天礦山開采技術流程

利用無人機傾斜攝影測量技術計算露天礦山土石方量，首先通過搭載在無人機上的多鏡頭量測相機同時采集不同角度的高分辨率影像，從而獲取地面物體完整準確的信息，構建具有可量測性的高精度實景三維模型；然后基于模型成果提取高程點；最后利用CASS 軟件計算土石方量[4-7]。關鍵技術包括空中三角測量、影像匹配生成密集點云和三維實景建模等?；谙到y(tǒng)展示平臺，以實景三維模型為底圖，融合視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、礦山開采設計方案和土石方量計算成果報告等資料，以滿足成果量測、資料編輯、功能分析等需求，實現(xiàn)礦山開采進度實時監(jiān)測。

為了驗證無人機傾斜攝影測量技術的可行性，本文選用飛馬D200 四旋翼無人機傾斜攝影系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無人機飛行器、D-OP300 傾斜航攝相機和雙頻GPS 導航模塊等組成，支持PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式，可大大提高影像初始POS的精度，減少對大量野外控制點布設的依賴，從而降低野外測繪時間成本。

2 案例應用

本文利用無人機傾斜攝影系統(tǒng)采集礦區(qū)實景三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)礦區(qū)設計資料，建立了開采礦區(qū)的最終三維模型。本文利用開發(fā)的露天礦山開挖監(jiān)測應用系統(tǒng)對多期三維模型數(shù)據(jù)進行對比分析，并結合土石方量計算報告，實現(xiàn)了露天礦山開采的實時動態(tài)監(jiān)管。

2.1 監(jiān)測礦區(qū)概況

監(jiān)測礦區(qū)為新昌縣回山鎮(zhèn)蟠溪村高瑯平山建筑石料玄武巖礦，礦山開采范圍如圖1 所示。礦區(qū)面積為0.17 km2，現(xiàn)場地勢陡峭、三面臨河、地形起伏較大；渣土車輛較多，地面沒有太多明顯標志，不利于無人機起飛和外業(yè)控制點、檢查點的布設。

圖1 監(jiān)測礦區(qū)位置示意圖

2.2 外業(yè)采集

為減少風力、山體、植被陰影等因素對建模成果的影響，航飛時間選擇在正午前后，在風力級別小于5級的條件下起飛。

1）航線規(guī)劃。航線采用飛馬專業(yè)無人機管家智航線模塊設計。該模塊可根據(jù)任務區(qū)域的地形起伏和影像要求，基于高精度實景三維地形自動生成滿足后期處理的最佳飛行方案和航線[8]。航線設計相對高度為191 m，影像地面分辨率為3 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，共獲取2 720 張航拍影像。航線布設如圖2所示。

圖2 新昌縣回山鎮(zhèn)蟠溪村高瑯平山航線示意圖

2）點位布設。采用RTK 布設野外像控點和檢查點，由于礦區(qū)沒有明顯特征點，因此事先準備了油漆展板，根據(jù)規(guī)范要求，像控點在測區(qū)內(nèi)均勻布設，共布設了6個像控點和6個檢查點。

2.3 模型構建

在無人機外業(yè)作業(yè)完成后，內(nèi)業(yè)首先對獲取的照片和POS數(shù)據(jù)進行預處理，再利用建模和修模軟件對數(shù)據(jù)進行三維模型構建。本文首先采用國內(nèi)外知名的實景三維建模軟件Context Capture，通過多視角聯(lián)合平差、數(shù)據(jù)分塊、點云匹配、TIN 網(wǎng)構建和紋理貼圖構建實景三維模型；然后利用修模軟件DP-Modeler對構建的三維模型場景進行檢查修飾，從而獲得高精度的實景三維模型。建模具體流程如圖3所示。

圖3 實景三維模型構建流程圖

模型質(zhì)量檢查主要包括空三報告、控制點報告和檢查點報告[9]。對比報告中的數(shù)據(jù)殘差與相關規(guī)范依據(jù)標準可知，獲取的4 期無人機傾斜攝影測量成果均滿足精度要求。以第一期為例，檢查點模型坐標與實際坐標的高程誤差如表1所示。

表1 檢查點模型坐標與實際坐標的高程誤差（第一期）/m

2.4 土石方量計算

基于前后兩期礦山實景三維模型，本文利用SV365 商業(yè)軟件等間隔提取模型點的高程值，剔除區(qū)域非地面點數(shù)據(jù)，再導入CASS 軟件進行土石方量計算。具體計算步驟為：

1）高程點提取。將構建的實景三維模型導入SV365軟件，采樣間隔設置為5 m，提取礦山開采范圍線區(qū)域內(nèi)的模型點高程值，檢查并剔除區(qū)域內(nèi)非地面點。

2）土石方量計算。將提取的高程點導出為dwg格式，并導入CASS 軟件；再利用“工程應用”菜單下“DTM 法土石方計算”子菜單中的“根據(jù)圖上高程點計算土石方量”功能進行計算。其中，平場高度設置為290 m，邊界采樣間隔為5 m。

3）精度分析。除構建的4 期實景三維成果數(shù)據(jù)外，本文還通過傳統(tǒng)測量方式獲取的開挖方量進行對比驗證。對比結果如表2 所示，可以看出，無人機傾斜攝影與人工RTK兩種方式的土石方計算結果偏差在允許范圍內(nèi)，計算成果精度較可靠。

表2 無人機傾斜攝影和人工RTK凈挖方量計算結果對比/萬m3

4）優(yōu)勢對比。與傳統(tǒng)測量的土石方量獲取方式相比，無人機傾斜攝影將大量的外業(yè)采集工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)自動化數(shù)據(jù)處理，節(jié)省了人工成本，提高了作業(yè)人員的野外安全系數(shù)。兩種方式對比結果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)測量與無人機傾斜攝影測量的土石方量獲取方式對比

2.5 系統(tǒng)成果展示

為了便于礦山管理人員實時監(jiān)管和決策部署，本文基于B/S 構架開發(fā)了露天礦山開挖自然監(jiān)測系統(tǒng)（圖4），支持實景三維、二維影像、電子地圖等多源數(shù)據(jù)成果的導入，能滿足定制化服務的要求。

圖4 露天礦山開挖自然監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖

1）系統(tǒng)能夠提供24 h 在線登錄和瀏覽，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)成果和礦山設計資料的導入、三維成果分屏對比顯示以及距離、高度、面積量測等功能。

2）系統(tǒng)采用實景三維模型+視頻監(jiān)控的方案，能動態(tài)監(jiān)控礦山是否超界開采。系統(tǒng)平臺可調(diào)用視頻接口，獲取視頻傳感器回傳的實時信息；再與實景三維地圖相結合，將礦區(qū)實時信息渲染至地圖上的標簽進行展示，從而幫助管理人員快速掌握礦山資源實時采集信息情況。

3）結合礦山開采方案，人工構建三維設計模型。通過將三維設計模型與每期實景三維模型成果進行對比分析，實時監(jiān)測開采進度。

3 結 語

本文創(chuàng)新性地將無人機傾斜攝影測量技術與露天礦山開采監(jiān)管應用相結合，通過多視角高分辨率的實景三維模型計算得到礦山的土石方量，并基于展示應用系統(tǒng)實現(xiàn)了露天礦山開采的實時動態(tài)監(jiān)管，是新型測繪技術的具體試點應用，為科學、智慧的自然資源監(jiān)測數(shù)字化管理提供了新的思路。