倾斜摄影测量技术在矿产资源监测中的应用

地形探索者 · 发表于 2020-8-12 16:50

摘　要：随着国家绿色发展战略的提出，矿产资源开发利用需要全面监测和管理。文中提出利用无人机倾斜摄影测量技术和方法，通过构建矿山监测区域的ＤＥＭ、ＤＯＭ、实景三维模型等倾斜摄影测量产品，分析监测露天矿山企业在该时间段内的开采量、储量、变化区域以及是否越界违法开采等。通过典型应用案例实际验证，结果表明该方法行之有效，能够方便地对矿山进行快速、准确的监测，有效地解决长期以来矿产资源开发利用与管理粗放的问题。

关键词：倾斜摄影测量；动态监测；实景三维模型；数字正射影像；ＤＥＭ叠加分析

作者：徐　坤，屈　莹，王宝山

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无人机倾斜摄影测量技术

１．１　无人机倾斜摄影测量技术简介

无人机倾斜摄影测量技术是指利用无人机平台,一般搭载5镜头倾斜相机,在机载控制软件和惯性导航系统控制下,按设计航线、航高、航向及旁向重叠度等自主飞行,获取被摄区域的多视密集影像,内业通过专业软件进行几何畸变改正(包括匀光匀色)、多视影像联合平差、多视密集影像匹配、形成超高密度点云、构建三维TIN(不规则三维三角网)和白膜及纹理映射等,生产实景三维模型、DOM、TDOM、DSM、DEM等多种产品。相比较传统测绘和普通的有人飞机航摄系统,无人机倾斜摄影测量技术能做到快速响应,有效的缩短监测和成图周期,成果种类丰富,任务设备的应用拓展能力强,不需要申请空域(非禁飞区)。目前,无人机倾斜摄影测量在应急测绘、困难地区测绘、智慧城市建设、小城镇测绘、重大工程项目测绘、不动产权籍测量等领域得到了广泛的应用。

１．２　倾斜摄影测量原理及关键技术

通过飞行平台获取正直和倾斜视角、高分辨率、顶面与侧面丰富纹理信息的多视密集影像,经过影像几何和光学畸变校正、匀光匀色预处理,融合影像、位置、姿态等信息进行空中三角测量、多视影像密集匹配、三维建模等过程,形成DSM、DOM、TDOM、DLG和实景三维模型等产品,能够还原被摄物体真实场景,量测出物体空间几何和属性信息。倾斜摄影测量需要解决以下关键技术:

1)数据预处理

根据相机检校文件提供的内方位元素和光学畸变校正参数,对多视密集影像进行几何、光学畸变校正,并对影像匀光匀色处理,确保影像色调、明暗、对比度一致,提高影像匹配效果。

2)空中三角测量

利用机载POS系统提供外方位元素初始值、相片控制点,通过构建影像金字塔,采用由粗到精的匹配策略,自动建立同名点连接,构建自由网,进行光束法区域网平差,解算出各相片的外方位元素。

3)多视影像密集匹配

影像匹配就是在多张相片中识别同名像点。利用倾斜摄影获取的大量冗余相片信息,通过低通滤波技术构建影像金字塔,采用SIFT、ASIFT等基于尺度、平移、旋转不变特征的算法,由粗到精等匹配策略,进行多视影像密集匹配,生成大量高密度同名点。

4)实景三维模型生成

通过对高密度点云抽稀,构建三维不规则TIN模型,形成被摄景物白膜,通过选择最佳影像纹理,自动纹理映射,建立实景三维模型。

１．３　技术特点

１）真实、客观、精细反映物体纹理及三维信息

与正直摄影不同，倾斜摄影除能反映被摄物体顶部纹理信息外，还能通过多视角的密集倾斜影像反映物体侧面纹理信息。专业建模软件自动化程度高，人工干预极少，纹理映射选择最佳纹理影像，自动纹理映射。因此，三维模型能真实、客观、精细反映物体的各面纹理信息及三维信息。对矿山开发监测而言，能够真实反映矿山实际开采情况，便于矿政管理和技术管理。

２）能多视角浏览和量测实景三维模型

借助于模型单体化和浏览软件，能够实现整体模型和单体模型的多视角浏览，并能在模型上量测位置、高度、长度、面积、角度、深度等功能，为矿政管理和矿山的技术管理者实时动态监测矿山开采情况提供有力技术支撑。

3）测绘产品种类多

倾斜摄影技术除能生产真实、客观、精细的实景三维模型外，还能够生产ＤＳＭ、ＤＥＭ、ＤＯＭ、ＴＤＯＭ、ＤＬＧ等多种产品。既能生产二维数字影像，又能生产三维实景模型；既能生产影像数据产品，又能输出图形产品（借助ＥＰＳ软件等）。大大拓展了倾斜摄影测量技术的应用领域。

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倾斜摄影测量在矿产资源监测中的应用

以Z省Y县某采石场监测为例。

1)项目需求

根据矿政管理和技术管理需求,需要对采石场开采是否越界、开采边坡是否按设计要求及评估开采安全性、储量动态变化等进行定期动态监测。

2)监测方案设计及技术路线

根据监测需求、公司现有技术装备、技术能力和水平,决定采用基于无人机的倾斜摄影测量技术方案进行监测。主要技术路线是通过对矿山进行倾斜摄影测量,获取矿山的实景三维模型、DOM、DEM。利用矿山界址点和开采现状DOM影像图套合,判断是否越界开采。利用开采现状DEM,估算开采边坡角。利用两期不同的DEM进行叠加分析,判断储量动态变化。以实景三维模型和DEM结合,判断和监测矿山开采状况。

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监测成果数据分析

3.1 越界分析

采用采矿权人法定证书确定的矿区界址点(拐点)作为越界监管分析基准,利用倾斜摄影测量成果—矿山开采现状DOM影像(图1(a))与矿区界址点坐标进行套合(图1(b));各界址点附近开采现状量测坐标与法定界址点坐标对比分析,见表1。对于植被无覆盖、沙土裸露区域,判别开采剥土情况。由图1(b)和表1分析可以看出,矿区开采边缘清晰,J1号、J6号、J8号、J9号界桩点附近存在部分剥土,但总体开采范围位于界桩范围内。

3.2 开采边坡分析

露天矿山开采需要及时监测和确定开采边坡角度稳定性,评估边坡稳定性,确保矿山安全施工。根据岩体的稳定性,设计一般要求开采边坡在40°～60°间。若以断裂带作为矿山边界,其边坡角须经边坡稳定性论证后确定。传统边坡角监测和确定需要利用全站仪和GPS技术现场施测,具有一定的危险性,且受测量采样点数限制,影响边坡角度确定的完整性。根据倾斜摄影测量技术获得的数字高程模型DEM监测开采边坡角,既能保证监测开采边坡角精度,又具有很好的安全性,也可以全面监测各边坡点的角度,比传统点状监测更具有科学性和客观性。另外,利用倾斜摄影测量产品也可以监测开采平台宽度、标高等矿山开采现状。图2和表2是监测的矿山DOM、边坡角、开采宕面、开采平台宽度和标高实际状况与法定开发利用方案的比较数据。

由图2和表2分析,目前矿区开采现状较为规整,+151 m、+136 m、+121 m、+106 m台阶明显,但+90 m、+74 m台阶仍未规整。+151 m、+136 m、+121 m平台边坡较大,有开采坡度超60°现象。

3.3 储量变化分析

矿山储量和储量变化是矿山技术管理和行政管理的重要内容,是矿山开发和发展的重要决策依据,矿山管理者要随时掌握这些变化和矿山开采状况。为真实反映矿区实际开采状况和开采变化情况,可对每期DOM、实景三维模型对比分析,见图3。或对各期DOM、实景三维模型进行叠加分析,可直观看出开采变化情况。当然,借助相应软件可在DOM、实景三维模型上进行变化位置、面积、深度、长度等要素量测。

利用DEM和探矿地质钻孔数据可计算矿产资源储量。采用两次DEM叠加分析比较的方法,可以计算出开采量、储量变化等参数,见图4。本文利用DEM叠加法对某采石场2018—2019年开采量分析统计见表3,采用传统方格网法和断面法进行核算和检核,符合《地质矿产勘查测量规范》精度要求。

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DLG精度分析

对倾斜摄影测量产品1∶1 000比例尺线划图DLG采用全站仪进行野外设站散点检查(开采和剥离范围内地物和地貌)。平面检查点121点,高程检查点105点。通过检查和统计计算得知,检查点平面中误差为±5.2 cm,高程中误差为±6.0 cm,项目完全满足设计和规范要求。