饒興元

（梅州市測繪與地理信息中心，廣東 梅州 514071）

1 引言

礦山作為我國自然資源的重要組成部分，對資源生態(tài)服務、地質環(huán)境恢復與管理具有較大影響[1]。在礦產資源開發(fā)工程高速發(fā)展的背景下，綠色礦山建設理念逐漸興起[2]?；趶V義角度分析，綠色礦山建設是指采用科學有序的開采方法，在礦山資源開采過程中，控制礦山周邊生態(tài)環(huán)境的擾動，全面實現(xiàn)科學化開采礦產資源、高效化利用礦山資源、和諧化管理礦山的目標[3]?，F(xiàn)階段，我國在綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方面的研究日益成熟，能夠有效監(jiān)測礦山開采過程中的異常情況。文獻[4]提出基于BDS-3 衛(wèi)星導航技術的礦山動態(tài)監(jiān)測方法，通過分析雷達遙感、無人機遙感、遠距離三維激光掃描、無人機傾斜攝影、激光雷達等現(xiàn)代測量技術的優(yōu)缺點，以及將這些技術應用于礦山動態(tài)監(jiān)測中的可行性與局限性，實現(xiàn)礦山動態(tài)監(jiān)測。文獻[5]提出基于傾斜攝影測量技術的礦產資源監(jiān)測方法，通過構建礦山監(jiān)測區(qū)域的DEM、DOM、實景三維模型等傾斜攝影測量產品，分析露天礦山企業(yè)在該時間段內的開采量、儲量、變化區(qū)域，以及是否存在越界違法開采現(xiàn)象等。但上述方法對無人機飛行作業(yè)高度計算的精度較低，導致航線路徑規(guī)劃存在較大偏差，降低了礦山建設動態(tài)監(jiān)測結果的準確率。

航空攝影測量技術可以根據(jù)被監(jiān)測礦山的實際情況，采用高精度無人機，設計指定的監(jiān)測飛行路線，監(jiān)測中心根據(jù)礦區(qū)地物分布情況，實時調整無人機的監(jiān)測航線，具有較高的靈活性與監(jiān)測精度。基于此，本文引入航空攝影測量技術，提出了一種全新的綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法，有助于促進我國綠色礦山建設的信息化、智能化發(fā)展。

2 綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法設計

2.1 布設綠色礦山地面監(jiān)測控制點

本文設計的綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法，是采用實時動態(tài)載波相位差分技術，全方位分析被監(jiān)測礦區(qū)的相關情況[6]。依據(jù)被監(jiān)測礦區(qū)的三維坐標，布設地面監(jiān)測控制點，為后續(xù)無人機動態(tài)監(jiān)測提供基礎保障[7]。首先選取綠色礦山中基準站與流動站的布設位置，通過GPS 衛(wèi)星定位與無線電通訊系統(tǒng)，實時獲取礦山內的載波觀測信號，提取礦山地面監(jiān)測控制點的有效坐標值[8]。其次，采用彩帶十字絲方法，布設地面監(jiān)測控制點。需注意，由于礦區(qū)地形變化顯著，且存在一定的不確定性，在礦山采坑區(qū)域周圍布設地面監(jiān)測控制點時，盡量布設密集一些 ；在地形平緩區(qū)域，可以相對稀疏一些，保證地面監(jiān)測控制點覆蓋綠色礦山所有區(qū)域。

2.2 基于航空攝影測量技術規(guī)劃無人機動態(tài)監(jiān)測任務

地面監(jiān)測控制點布設完成后，采用航空攝影測量技術規(guī)劃設計無人機飛行任務。首先，根據(jù)礦山監(jiān)測區(qū)域的地形、氣候、地質條件等情況，選取分辨率與精度較高的無人機。本文選取MAVIC PRO 四旋翼無人機，機身尺寸為214mm×91mm×84mm，重量約為905g，具有2000 萬有效像素，最大信號有效距離分別為：FCC：10000m；CE：6000m；SRRC：6000m；MIC：6000m。其次，基于航空攝影測量技術對礦山監(jiān)測區(qū)域的地形進行考察，結合考察結果布設礦區(qū)地面控制點。無人機飛行任務規(guī)劃流程如圖1 所示。

圖1 無人機動態(tài)監(jiān)測飛行任務規(guī)劃流程

開展無人機飛行任務首先要根據(jù)多傳感器采集的監(jiān)測礦區(qū)氣象數(shù)據(jù)，確定無人機飛行動態(tài)監(jiān)測任務時間，依據(jù)導航地圖軟件，獲取無人機禁飛空域，進而確定動態(tài)監(jiān)測作業(yè)范圍。然后設定不同比例尺下綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測影像的地面分辨率。根據(jù)地面分辨率、無人機相機焦距以及航空攝影像元尺寸之間的關系，規(guī)劃無人機動態(tài)監(jiān)測的飛行高度，計算公式為：

公式（1）中，qx表示綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測影像的地面分辨率；f表示無人機相機焦距；p表示航空攝影像元尺寸。無人機動態(tài)監(jiān)測作業(yè)飛行高度確定后，為提高航空攝影測量的準確度，應實時調整相同航線上礦山監(jiān)測影像的重疊度，避免相鄰影像重疊度超出范圍。在此基礎上，計算無人機動態(tài)監(jiān)測飛行作業(yè)基線的長度，確定無人機飛行航線路徑，計算公式為 ：

公式（2）中，L表示無人機動態(tài)監(jiān)測飛行作業(yè)基線長度；hx表示無人機飛行作業(yè)航線間的間隔寬度；rx表示無人機飛行作業(yè)航向重疊度。

通過計算，獲取無人機動態(tài)監(jiān)測飛行作業(yè)的基線長度，確定無人機的航線路徑，然后檢查與調試無人機設備的運行狀況，檢查無誤后開始無人機航空攝影測量，實時將無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)上傳至飛控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集結束后，監(jiān)測中心的工作人員要及時查看礦山中是否存在漏拍區(qū)域，若出現(xiàn)異常，則對異常部分進行補拍。

3 實例分析

為了進一步驗證本文設計的無人機動態(tài)監(jiān)測方法的有效性與應用效果，以S 綠色礦山建設工程為例，進行了實例應用分析。

3.1 礦山概況

選取某地區(qū)S 綠色礦山工程為研究對象，該礦山整體呈現(xiàn)ES 走向，為斜坡地形，屬巖溶槽坡地貌。礦區(qū)最高點高程為+425.82m，最低點高程為+332.45m，礦區(qū)地形坡角在25°～40°范圍，地表水排放情況良好，較難形成礦區(qū)地表水匯集。S 綠色礦山所在區(qū)域屬于亞熱帶濕潤季風氣候，降雨量充沛，最大年降雨量約為1468.25mm，降雨主要集中在每年的5～8 月份，礦區(qū)平均相對濕度為78.2%。全面掌握該礦山工程情況后，將本文設計的無人機動態(tài)監(jiān)測方法應用到S 綠色礦山建設中，實時監(jiān)測礦山的動態(tài)變化。

3.2 結果分析

為了更加直觀地驗證本文方法的可行性，將上述基于航空攝影測量技術的綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法，分別與文獻[4]、文獻[5]方法進行對比分析。采用精度較高的多旋翼無人機航空攝影測量系統(tǒng)與內業(yè)影像解譯系統(tǒng)作為試驗工具，檢查航空攝影影像質量，查看有無明顯云霧遮擋、影像清晰度是否符合要求等。利用Context Capture 軟件，對航空攝影影像進行三維建模，基于S 綠色礦山簡單的重疊影像，構建模擬出真實的監(jiān)測礦區(qū)三維場景。

在S 礦山監(jiān)測區(qū)域，隨機布設6 組礦區(qū)地面控制標靶監(jiān)測站點，分別標號為LSKS01、LSKS02、LSKS03、LSKS04、LSKS05、LSKS06。掌握S 礦山像控點的變化，采用空三加密點，計算出礦區(qū)地面控制標靶監(jiān)測站點的不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。應用三種礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法，實時獲取礦山成果數(shù)據(jù)，得出監(jiān)測站點的監(jiān)測高程值，如表1 所示。

表1 三種方法礦山監(jiān)測站點監(jiān)測高程值

從表1 可以看出，三種方法獲取的監(jiān)測高程值差異明顯。為了驗證監(jiān)測高程值的精度，利用有限元分析軟件，測定S 礦山監(jiān)測區(qū)域地面控制標靶監(jiān)測站點的實際高程值，并與三種方法監(jiān)測到的高程值進行對比，獲取三種監(jiān)測方法的高程誤差率，如圖2 所示。

圖2 三種監(jiān)測方法高程誤差率對比

從圖2 可知，采用本文提出的基于航空攝影測量技術的綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法，各地面控制標靶監(jiān)測站點的高程誤差率均在1.2%以下，低于另外兩種監(jiān)測方法，且監(jiān)測結果精度更高，偏差更小，優(yōu)勢顯著。

為進一步驗證本文方法的實用性，以礦山監(jiān)測時間為實驗指標，采用本文方法、文獻[4]方法與文獻[5]方法進行對比測試，測試結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，本文方法的監(jiān)測時間最高為28s，文獻[4]方法的監(jiān)測時間最高為50s，文獻[5]方法的監(jiān)測時間最高為69s，本文方法的監(jiān)測時間明顯低于其他兩種方法，效率較高，可有效實現(xiàn)對礦山的動態(tài)監(jiān)測。

圖3 三種方法監(jiān)測時間對比

4 結束語

綠色礦山是我國重要的自然資源之一，對其環(huán)境、地質與資源的動態(tài)監(jiān)測要求較高。綠色礦山建設動態(tài)監(jiān)測方法能有效監(jiān)測開采區(qū)域地質災害、生態(tài)平衡的動態(tài)變化，為礦山安全高效開采、礦區(qū)生態(tài)恢復治理提供依據(jù)。為改善傳統(tǒng)礦山動態(tài)監(jiān)測方法精度較低的問題，本文引入航空攝影測量技術，設計了一種全新的無人機動態(tài)監(jiān)測方法，可有效提高礦山監(jiān)測結果的精度，降低礦山地質災害發(fā)生與環(huán)境破壞的可能性，對促進我國綠色礦山生態(tài)管理發(fā)展具有重要意義。