游昆鵬 涂旭東

（陜西鳳縣四方金礦有限責任公司）

我國礦產(chǎn)資源的需求量很大，礦山生態(tài)系統(tǒng)由于資源過度開采產(chǎn)生了較大破壞，導致了日益嚴重的資源、環(huán)境和地質災害問題。在對礦山地質環(huán)境進行治理及監(jiān)測的工程中，以點為測量對象的傳統(tǒng)測量方法很難獲取到待監(jiān)測區(qū)域的全要素地形信息，從而制約地質環(huán)境治理的規(guī)劃和決策。

近年來，小型無人機航測技術的發(fā)展使得無人機航測技術在各行各業(yè)都得到了廣泛應用。馮雅秀［1］通過對無人機實景三維建模和數(shù)據(jù)精度的研究，認為當前無人機航測所取得的DSM、TDOM等成果精度可用于高精度三維建模。張崇軍等［2］利用無人機傾斜攝影測量方法獲取監(jiān)測滑坡體的真三維模型，認為可以用于降雨后形變在3 cm以上的監(jiān)測。張兵兵等［3］將無人機航測用于大寶山礦露天礦山采空區(qū)的精細化驗收，認為其成果精度完全滿足1∶500地形圖精度要求，可用于露天礦山采空區(qū)的精細化驗收。

以上研究成果為礦山地質環(huán)境監(jiān)測提供了新的思路。本研究以四方金礦地質環(huán)境監(jiān)測為背景，論述了無人機PPK免像控航測技術在礦山地質環(huán)境監(jiān)測方面的應用成果，并結合GIS軟件對監(jiān)測成果進行多樣化表達。

1 項目背景

該項目以四方金礦采區(qū)地表為監(jiān)測對象。該區(qū)大地構造位置處于秦嶺褶皺系南秦嶺印支褶皺帶，屬秦嶺中山區(qū)地貌類型。經(jīng)過多年地下開采，山體表層邊坡破碎滑塌，形成一個寬約422 m、斜長約450 m、高差約350 m的碎塊石堆積邊坡，面積約14萬m2。礦山于2018年開始對采區(qū)地質環(huán)境進行恢復治理，為鞏固治理成效并減少地下采礦活動對地表的影響，近2 a采礦方法由崩落法轉為充填法。為監(jiān)測治理成果并對地質災害進行預警，需要對該區(qū)實施采空（塌陷）監(jiān)測、不穩(wěn)定邊坡監(jiān)測、地貌景觀損毀（恢復）監(jiān)測。根據(jù)《礦山地質環(huán)境監(jiān)測規(guī)程》（DZ T0287—2015）規(guī)定的監(jiān)測等級劃分標準，該區(qū)域監(jiān)測等級為三級。

該區(qū)域周邊植被茂盛，山勢陡峭且無道路通行。無論是利用傳統(tǒng)的全站儀極坐標法還是GNSS靜態(tài)測量或者實時差分動態(tài)測量（RTK）均難以施測，采用無人機低空攝影測量又無法在測區(qū)四周布設地面控制點控制整個測區(qū)。經(jīng)過多次試驗，僅在測區(qū)單邊方向（山腳）布設地面控制點時，當?shù)匦纹鸱卟钕鄬Φ孛婵刂泣c高度超過80 m后，所測成果平面和高程精度都急劇下降。通過查找研究資料和試驗驗證，最終選擇使用有架構航線的PPK免像控航測技術，地面控制點僅做檢查點使用，不參與空三平差計算。

2 主流免像控航測技術的對比

免像控航測技術的實現(xiàn)主要依靠高精度的POS數(shù)據(jù)獲取外方位元素，提高空三解算精度。目前獲取高精度POS數(shù)據(jù)的手段主要是在無人機上安裝傳感器和RTK模塊，然后通過實時差分或者后差分的方式求解拍照瞬間的相機空間位置。當前主流的免像控航測技術主要有傳統(tǒng)機載GNSS/IMU技術、RTK實時差分技術、PPK后差分技術。研究資料表明［4］，當前技術下RTK實時差分技術和PPK后差分技術獲取的POS數(shù)據(jù)位置精度可以達到2 cm以內。

傳統(tǒng)機載GNSS/IMU技術利用單點定位技術與慣導結合，通過內插方法估算相機的曝光點位置和姿態(tài)，獲取POS數(shù)據(jù)，精度較低。RTK技術與PPK技術獲取的POS數(shù)據(jù)精度相當，但由于RTK技術需要在基站和無人機之間建立通信連接，在山區(qū)和具有高大障礙物存在的區(qū)域飛行時，有可能出現(xiàn)通信中斷信號失鎖的情況。因此，RTK技術更適合于在平坦地區(qū)使用，PPK技術適合于地形復雜的山區(qū)。但無論是RTK或者PPK技術支持下的無人機免像控航測，都需少量的能夠控制整個測區(qū)的地面控制點進行聯(lián)合平差以提高成果精度和可靠性，在無法布設足夠控制點的情況下很難獲取到所需精度的成果數(shù)據(jù)。由于構架航線攝站坐標可以起到地面控制點的作用［5］，因而采用構架航線的免像控航測技術可以在更少或者沒有地面控制點的情況下獲取較高的成果數(shù)據(jù)。文獻［5］研究了高差130 m內，構架航線對無人機影像精度的影像，本研究驗證了在高差350 m時的構架航線無人機免像控航測精度。

3 試驗方案

本項目采用的飛行平臺為飛馬E2000航測系統(tǒng)，利用到的數(shù)據(jù)處理軟件主要包括飛馬無人機管家、瞰景Smart3d、Arcgis10.8等。主要技術流程：首先通過計算、設置合理的航線參數(shù)，利用無人機周期性對監(jiān)測區(qū)域進行航測，通過飛馬無人機管家和瞰景Smart3d生產(chǎn)真三維模型和DSM、TDOM正射影像；然后利用Arcgis10.8軟件對不同期成果數(shù)據(jù)進行分析對比，最后形成多樣化的可視化監(jiān)測成果。技術流程如圖1所示。

監(jiān)測區(qū)域高差較大，采用變高航線飛行，航線方向和等高線平行。并垂直于航線方向規(guī)劃若干條構架航線，加強航線約束，提高成果精度。攝影方式采用垂直攝影。

飛馬E2000所搭載Sony ILCE-6000微單相機，GSD為30 mm時，由式（1）計算相對航高H為195.7 m。

式中，H為相對航高，m；f為相機物鏡焦距，mm；a為CCD像元尺寸，μm；GSD為地面分辨率，mm。

式（2）為航空攝影測量高程精度計算公式：

式中，mh為地面點高程坐標精度，mm；k為常數(shù)；B為攝影基線長度，m。

由式（2）可以看出，在地面分辨率GSD和航高H確定的情況下，攝影基線長度B越大點位高程精度越好，但影像重疊度越低。影像重疊度低會影響照片特征點密集匹配效果，進而影響空三成果可靠性。如何平衡高程精度和影像重疊度也是無人機攝影測量的一個難點。申二華等［6-7］通過對不同基高比的對比試驗，認為在地物特征明顯地區(qū)較高的重疊度可以在一定程度上彌補小基高比的高程精度缺失，但在地貌復雜特征不明顯地區(qū)仍需進一步研究影像匹配算法。本項目對高程精度要求較高，結合前人研究成果，選取航向重疊度80%，旁向重疊度60%。多次航測數(shù)據(jù)表明，該重疊率下影像密集匹配通過率高于96%，影像連接強度良好。

由于地形條件限制，無法按常規(guī)方式布置控制點。在監(jiān)測區(qū)山腳下沿路布設單邊控制點10個（圖2），用于檢驗航測成果的精度。

為了確保地面控制點精度，剔除地面控制點誤差對精度分析的影響，采用RTK多次平滑采集坐標，部分控制點點位精度見表1。

?

4 精度分析

為了驗證構架航線免像控精度以及地面控制點對構架航線精度的影響，設計了2種平差方案進行對比。第一種方案是僅采用高精度POS數(shù)據(jù)進行空三計算，無地面控制點參與平差計算；第二種方案是同時采用高精度POS數(shù)據(jù)和4個地面控制點聯(lián)合空三計算。采用飛馬無人機管家分別對2種方案進行空三計算，生產(chǎn)TDOM和DSM，在TDOM和DSM讀取檢查點平面坐標和高程值。通過對比檢查點圖測值和RTK所測三維坐標值，計算檢查點點位中誤差評估成果精度。所得精度檢驗結果分別見表2和表3。

?

?

由表2可以看出，利用PPK獲得的高精度POS數(shù)據(jù)在無地面控制點參與空三解算的情況下，得到的檢查點坐標與RTK實地所測坐標X方向最大值-0.102 m，Y方向最大值-0.116 m，Z方向最大值-0.198 m，坐標平面中誤差0.087 m，高程中誤差0.103 m，符合預期精度。

由表3可以看出，利用高精度POS數(shù)據(jù)和4個地面控制點參與空三解算的情況下，檢查點X方向最大值0.079 m，Y方向最大值0.084 m，Z方向最大值-0.140 m，坐標平面中誤差0.082 m，高程中誤差0.105 m。與表2數(shù)據(jù)對比可知，除參與計算的控制點本身點位精度有明顯提高外，檢查點平均點位精度并沒有得到明顯提升，只是在X、Y、Z方向差值最大值上有所減小。

從精度分析結果可知，當有構架航線時，無論有無地面控制點參與計算，無人機PPK免像控航測技術都可滿足礦山地質環(huán)境監(jiān)測要求和1∶500大比例尺地形圖精度要求，可以用于高陡復雜邊坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。

5 成果應用

礦山地質環(huán)境監(jiān)測的目的是及時掌握災害體變形動態(tài)，分析其穩(wěn)定性并預測變化規(guī)律；為地質環(huán)境治理提供可靠資料和科學依據(jù)。因此，對采集到的三維模型和正射影像數(shù)據(jù)進行可視化表達，對礦山安全、高效、綠色和集約開采具有重要意義。

對地貌景觀破壞和地貌景觀恢復監(jiān)測的可視化表達可以在TDOM上提取邊界或者矢量化邊界。利用Arcgis10.8軟件對提取到的邊界賦日期屬性值，通過啟用時間圖層制作時態(tài)變化圖，動態(tài)展示不同時間節(jié)點地貌景觀破壞或者恢復情況。本研究重點討論靜態(tài)圖的制作。

DSM本質是在每個柵格像元內存儲不同的像素值，這個像素值就代表了這個像元對應實地位置的高程值。如圖3所示，方格代表像元，方格內的數(shù)字分子部分代表該像元的像方坐標，分母代表該像元存儲的像素值。像元的像方坐標可以通過數(shù)學計算映射至物方坐標。

像元是柵格圖像的最小量測單位。如圖3所示，在柵格圖像上畫一條剖面線，就可以通過數(shù)線條經(jīng)過的像元數(shù)確定剖面線不同距離處的像素值?；诖嗽恚梢栽谝环鵇SM上得到任意線條的剖面圖；也可以在2幅或者多幅DSM上得到剖面圖變化值。圖4為監(jiān)測區(qū)2期DSM在某勘探線上的剖面圖。

通過剖面圖可以直觀看出在距邊界150～200 m處采礦活動引起了漏斗深度加深。

基于DSM的實現(xiàn)原理，可以對2幅像元大小相等的柵格圖像執(zhí)行數(shù)學運算。圖5為2期DSM相減得到的地表變化等值區(qū)間圖。

圖5采用灰度值表示地表2期地形高差變化值，顏色越淺表示地面下沉量越大。等值區(qū)間圖會在某些小區(qū)域內造成很多難以分辨的小多邊形，同時一部分不感興趣的區(qū)域可能占據(jù)較大面積干擾視覺認知，因此等值區(qū)間圖適用于表達整個監(jiān)測區(qū)的宏觀變化情況。

6 結 論

（1）采用構架航線無人機PPK免像控航測技術可以應用于地面特征點不明顯且地形高差起伏超過350 m的高陡邊坡地形的礦山地質環(huán)境監(jiān)測。

（2）除DSM剖面圖、等值區(qū)間圖外，利用航測獲取的數(shù)據(jù)通過與GIS技術結合可以獲得坡度坡向圖、變化風向圖等更豐富的表達形式，擁有著廣闊的應用前景。

（3）航測最終監(jiān)測成果精度雖不及傳統(tǒng)接觸式測量，但相比傳統(tǒng)測量航測能夠獲得監(jiān)測區(qū)域的全要素信息，對地質環(huán)境治理規(guī)劃和決策更有意義。