1 引 言

傳統(tǒng)礦山監(jiān)測主要采用的全野外測量方式（ GPS- RTK 或全站儀實(shí)測） 對(duì)礦山進(jìn)行測繪及儲(chǔ)量計(jì)算。無人機(jī)航攝是近年來迅速發(fā)展的空間數(shù)據(jù)獲取手段，具有較高的機(jī)動(dòng)靈活性，受地形限制小，能夠避免因地形復(fù)雜無法完成測量而產(chǎn)生盲區(qū)，大大降低了外業(yè)工作的勞動(dòng)量和難度。相比難度大、周期長的傳統(tǒng)礦山測量方式，無人機(jī)遙感技術(shù)可快速對(duì)地質(zhì)環(huán)境信息和過時(shí)的 GIS 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新、修正和升級(jí)。無人機(jī)所體現(xiàn)的低成本、高效率，且所獲取的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)勢性等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面有明顯優(yōu)勢，對(duì)數(shù)字礦山建設(shè)和礦山災(zāi)害應(yīng)急等工作均具有重要的意義。

為驗(yàn)證無人機(jī)航攝技術(shù)能否滿足礦山測量及動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作的要求，本文選取了地形區(qū)別較大的南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦（ 以下簡稱“三炮山礦區(qū)”） 和南寧市雙秀石場（ 以下簡稱“雙秀石場”） 作為試點(diǎn)區(qū)域，分別采用無人機(jī)航攝手段和傳統(tǒng)全野外測量手段對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地形測量及儲(chǔ)量計(jì)算，并對(duì)兩種測量方式的測量成果及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)試驗(yàn)分析，本文認(rèn)為無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)滿足礦山地形測量及儲(chǔ)量計(jì)算的要求，可以應(yīng)用于南寧礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作當(dāng)中。

2 研究區(qū)概況

2. 1 三炮山礦區(qū)

三炮山礦區(qū)位于南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村，屬山地地形，開采礦種為磚瓦用頁巖，開采標(biāo)高 +134. 80 m ～+97. 00 m。

2. 2 雙秀石場

雙秀石場位于南寧市雙定鎮(zhèn)秀山村隴埋坡，屬高山地地形，開采礦種為建筑石料用灰?guī)r，開采標(biāo)高+270 m ～ +180 m。

3 全野外礦山地形測量

3. 1 礦山地形測量

利用 CORS 的網(wǎng)絡(luò) RTK 方式進(jìn)行礦山地形測量， 用戶隨時(shí)可以觀測，使用方便，提高工作效率。本文 使用 GPS-RTK 接收機(jī)接入南寧市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星綜合服務(wù)系統(tǒng)（ 以下簡稱“NNCORS”） ; 該系統(tǒng)能夠提供覆蓋南寧市全市域范圍內(nèi)的厘米級(jí)坐標(biāo)快速定位服務(wù)， 可以獲得精確的 2000 國家大地坐標(biāo)。

3. 2 高程轉(zhuǎn)換

通過“南寧市測繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)”（ www. nncors. cn） 提供的似大地水準(zhǔn)面精化服務(wù)，將實(shí)測點(diǎn)坐標(biāo)的高程值轉(zhuǎn)換為 1985 國家高程。

3. 3 地形圖成圖

地形圖內(nèi)業(yè)編輯在南方 CASS 7. 0 軟件下完成，根據(jù)《國家基本比例尺地形圖圖式第一部分： 1 ∶ 500、1 ∶ 1 000、1 ∶ 2 000地形圖圖式》對(duì) 1 ∶ 1 000比例尺地形圖的測圖要求，按 CASS 7. 0 繪圖軟件自身編碼系統(tǒng)對(duì)地物進(jìn)行編碼，不存在無編碼的地物，線型連續(xù)，面狀閉合，各項(xiàng)操作均能嚴(yán)格按照軟件的要求執(zhí)行。

4 無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取與處理

4. 1 無人機(jī)航攝生產(chǎn)技術(shù)流程

根據(jù)礦山測量及儲(chǔ)量計(jì)算的工作要求，無人機(jī)航攝需要生產(chǎn)的產(chǎn)品包括數(shù)字高程模型 DEM 和數(shù)字正射影像 DOM。生產(chǎn)流程如 1 圖所示。

圖 1 無人機(jī)航攝生產(chǎn)技術(shù)流程圖

4. 2 像片控制點(diǎn)布設(shè)與測量

像片控制點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，根據(jù)測區(qū)面積大小與地形地貌特征，在三炮山礦區(qū)共布設(shè) 5 個(gè)平高控制點(diǎn)，雙秀石場布設(shè) 6 個(gè)平高控制點(diǎn)。

為確保坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，無人機(jī)航攝像片控制點(diǎn)的測量采用與全野外地形測量相同的方式（ CORS-RTK 接入NNCORS） ，測量成果通過南寧市測繪基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使像控點(diǎn)高程成果轉(zhuǎn)換為 1985 國家高程。

4. 3 原始航片采集

無人機(jī)低空航攝采用電動(dòng)固定翼無人機(jī)，相機(jī)搭 載傾斜航攝鏡頭組，配合 35 mm定焦鏡頭進(jìn)行航攝。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》相關(guān)要求，考慮礦區(qū)地形起伏較大，宜提高航攝重疊度以避免出現(xiàn)航攝漏洞，故設(shè)置航向重疊度為 75%，旁向重疊度為 55%，地面分辨率 0. 06 m。兩個(gè)礦區(qū)的航攝區(qū)域均設(shè)置為1 km2的矩形，確保在完全包含礦區(qū)范圍的前提下同時(shí)對(duì)礦區(qū)周邊區(qū)域進(jìn)行航攝

完成無人機(jī)航攝任務(wù)設(shè)置后，需進(jìn)行飛前檢查，確認(rèn)飛機(jī)和氣象條件均滿足航攝要求之后方可準(zhǔn)備起飛。本次工作所用機(jī)型采用彈射起飛的方式，到達(dá)工作高度之后，根據(jù)地面站發(fā)出的任務(wù)指令進(jìn)入航線，完成低空航攝工作并返航降落。

4. 4 內(nèi)業(yè)處理

由于無人機(jī)所攜帶的都是相機(jī)不是專業(yè)量測相機(jī)，鏡頭畸變較大，因此需在后期利用畸變改正參數(shù)通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)航飛原始影像進(jìn)行畸變修正。

內(nèi)業(yè)加密采用無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理軟件的空三模 塊進(jìn)行全數(shù)字空三加密，對(duì)野外測定的高程點(diǎn)、平面點(diǎn) 進(jìn)行核查和加密，為數(shù)據(jù)采集提供質(zhì)量可靠的定向點(diǎn)。平差計(jì)算采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差。

空三加密完成后，基于空三加密成果，智能匹配密集點(diǎn)云，生成測區(qū) 0. 25 m格網(wǎng)間距的三維點(diǎn)云文件。對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行整體濾波，濾除匹配在建筑物、樹木上等非地面的匹配，生成測區(qū) 1 ∶ 1 000的數(shù)字高程模型（ DEM） 。

根據(jù)外方位元素和 DEM 逐一對(duì)每個(gè)像對(duì)進(jìn)行數(shù)字微分糾正，得到數(shù)字正射影像（ DOM） ，不同像對(duì)的DOM 經(jīng)鑲嵌、圖廓裁切、色彩平衡處理、圖廓整飾等步驟，生成礦區(qū) 1 ∶ 1 000的 DOM。

無人機(jī)航攝影像細(xì)節(jié)清晰，層次豐富，無明顯模糊、重影和錯(cuò)位，航攝范圍覆蓋整個(gè)測區(qū)，真實(shí)客觀地反映了礦山的開采現(xiàn)狀。

4. 5 質(zhì)量檢查

基于無人機(jī)航攝進(jìn)行礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測需要使用DEM 和 DOM 成果，必須對(duì)這兩個(gè)成果進(jìn)行精度檢核， 以確保其符合相關(guān)規(guī)范要求。

檢查點(diǎn)按照均勻分布、覆蓋整個(gè)測區(qū)的原則進(jìn)行選 點(diǎn)及測量。三炮山礦區(qū)和雙秀石場選取的平面檢查點(diǎn) 數(shù)量分別為26 個(gè)和 20 個(gè)，高程檢查點(diǎn)數(shù)量均為100 個(gè)。兩個(gè)礦區(qū)選取的平面和高程檢查點(diǎn)分布如圖 2 所示。

圖 2 平面和高程檢查點(diǎn)分布

（ 1） DOM 平面位置精度檢查

DOM 平面位置精度檢查采取外業(yè)實(shí)測特征點(diǎn)的方式，將檢查點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)（ Xi，Yi ） 輸入計(jì)算機(jī)中，并由檢查員在DOM 上的提取同名像點(diǎn)坐標(biāo)（ xi，yi ） ，計(jì)算平面位置中誤差是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

對(duì)實(shí)測平面坐標(biāo)與 DOM 地物特征點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)比結(jié)果顯示，三炮山礦區(qū) DOM 的平面位置中誤差為±0. 23 m和 ±0. 19 m，兩者均小于《城市測量規(guī)范》對(duì)山地和高山地區(qū)域 1 ∶ 1000 DOM 平面位置中誤差的限差 0. 75 m［7］。

（ 2） DEM 高程精度檢查

DEM 高程精度檢查是在平面位置精度檢查符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的前提下，將實(shí)測的高程檢查點(diǎn)（ X ，Y ，Z ） 的平面坐標(biāo)（ X ，Y ） 輸入計(jì)算機(jī)，提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的 DEM 高程（ Xi，Yi，Zi） ，與實(shí)測高程對(duì)比并計(jì)算高程中誤差。

對(duì)實(shí)測高程值與 DEM 格網(wǎng)高程的對(duì)比結(jié)果顯示， 三炮山礦區(qū)航攝所成 DEM 的高程中誤差為 ±0. 35 m，小于《城市測量規(guī)范》對(duì)山地區(qū)域 1 ∶ 1 000比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的 DEM 高程精度限差 1. 20 m; 雙秀石場航攝所成 DEM 的高程中誤差為 ±0. 67 m，小于《城市測量規(guī)范》對(duì)高山地區(qū)域 1 ∶ 1 000 比例尺、精度等級(jí)為一級(jí)的 DEM 高程精度限差 2. 50 m。

5 礦山儲(chǔ)量計(jì)算

5. 1 利用全野外實(shí)測成果進(jìn)行礦山儲(chǔ)量計(jì)算

南方 CASS 7. 0 軟件的方格網(wǎng)法是進(jìn)行計(jì)算土方測量中常用的計(jì)算方法。對(duì)兩個(gè)測區(qū)，根據(jù)地形圖采用 5 m×5 m 劃分方格網(wǎng)，將計(jì)算起始標(biāo)高和自然地面標(biāo)高分別標(biāo)注在方格點(diǎn)的右上角和右下角，求出各點(diǎn)的高度（ 挖或填） ，挖方為（ +） 、填方為（ -） 。

計(jì)算零點(diǎn)位置，將方格網(wǎng)中兩端角點(diǎn)挖方高度符號(hào)不同的方格邊上零點(diǎn)位置，標(biāo)于方格網(wǎng)上，連接零點(diǎn)，即是填方（ 超挖） 或挖方區(qū)的分界線。零點(diǎn)位置按下列公式計(jì)算：

x1 = h2 / （ h1 +h2 ） ×α

x2 = h2 / （ h1 +h2 ） ×α

式中： x1 ，x2 —角點(diǎn)至零點(diǎn)的距離（ m） ;

h1 ，h2 —相鄰兩點(diǎn)角的高程（ m） ;

α—方格網(wǎng)的邊長（ m）

按方格網(wǎng)底面圖形和下表體積計(jì)算公式，計(jì)算每個(gè)方格網(wǎng)的挖方或填方量，在將所有方格計(jì)算土方匯總即得該礦區(qū)的挖方區(qū)和填方區(qū)的總土方量。采用方格網(wǎng)法計(jì)算得到的三炮山礦區(qū)和雙秀石場的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量分別為 99. 3 949 萬 m3 和 181. 448 3 萬 m3 。

5. 2 利用無人機(jī)航攝成果進(jìn)行礦山儲(chǔ)量計(jì)算

在航攝 DEM 成果的基礎(chǔ)上，使用礦區(qū)開采邊界對(duì)DEM 進(jìn)行裁剪。在三炮山礦區(qū)，無越界超采情況存在，因此使用采礦權(quán)登記界線進(jìn)行裁剪; 而雙秀石場現(xiàn)場開采范圍超出原有登記界線，在此采用全野外實(shí)測得到的現(xiàn)狀開采界線對(duì) DEM 進(jìn)行裁剪。得到裁剪過的 DEM 之后，使用 ArcGIS for Desktop 軟件中的“表面體積”工具計(jì)算地表面 DEM 和參考平面（ 即開采標(biāo)高平面） 之間的體積。

三炮山礦區(qū)無越層超采的情況，計(jì)算時(shí)只需輸入標(biāo)高 97 m、計(jì)算條件 ABOVE（ 上方） 即可得到礦區(qū)現(xiàn)有儲(chǔ)量 101. 786 3 萬 m3 。三炮山礦區(qū)三維示意圖如圖 3 所示。

圖3 山炮山儲(chǔ)量計(jì)算示意圖

雙秀石場已發(fā)生越層開采，需要分別使用 ABOVE 和BELOW 條件來計(jì)算 180 m標(biāo)高之上和之下的儲(chǔ)量， 兩者加和后，得到實(shí)際的礦產(chǎn)儲(chǔ)量 189. 944 9 萬 m3 。雙秀石場三維示意圖如圖 4 所示。

圖 4 雙秀石場儲(chǔ)量計(jì)算示意圖

5. 3 儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

兩個(gè)礦區(qū)不同測量方式計(jì)算儲(chǔ)量得到的結(jié)果如表 1 所示，以全野外測量計(jì)算得到的結(jié)果為真值，則偏差量等于全野外測量計(jì)算結(jié)果減去無人機(jī)航攝計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差為偏差量除以全野外測量計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值。由該表可知，兩個(gè)礦區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差分別為 2. 41%和 4. 68%，兩者均優(yōu)于 5%，說明無人機(jī)航攝成果計(jì)算得到的礦山儲(chǔ)量具有很高的可信性。

儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 表 1

6 結(jié) 論

本文通過無人機(jī)航攝和全野外測量對(duì)南寧市某礦區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)量監(jiān)測，對(duì)兩種方式的實(shí)施過程、數(shù)據(jù)成果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論：

（ 1） 無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)成果具備可靠性，平面及高程中誤差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，可以用于礦山測量和儲(chǔ)量計(jì)算工作當(dāng)中。

（ 2） 在南寧市興寧區(qū)五塘鎮(zhèn)四平村三炮山磚用頁巖礦和南寧市雙秀石場，無人機(jī)航攝與全野外地形測量兩種成果采用同樣的方法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)誤差分別為 2. 41% 和 4. 68%，無人機(jī)航攝計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量的可信度較高。

（ 3） 對(duì)全野外地形測量中人員無法到達(dá)、GPS 信號(hào)不穩(wěn)定的高邊坡、陡坎、灌木林區(qū)，無人機(jī)航空攝影測量的方式可以全面覆蓋。

（ 4） 相比于傳統(tǒng)的礦山測量方式，無人機(jī)航攝獲取得到的高分辨率 DOM 可以與過往多期衛(wèi)星影像、大飛機(jī)航攝影像以及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比，其客觀性強(qiáng)于全野外實(shí)測，可有效杜絕擅自更改數(shù)據(jù)成果從而造成年審評(píng)估結(jié)果失實(shí)的情況。

（ 5） 本文對(duì)兩種測量手段的測量成果均采取較為簡便的計(jì)算方法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，尚不能充分體現(xiàn)無人機(jī)航攝成果全覆蓋、高分辨率的優(yōu)越性; 此外，為便于計(jì)算，未扣除邊坡壓占資源儲(chǔ)量，未考慮回采率、損失率等因素。實(shí)際工作中，應(yīng)充分利用航攝生產(chǎn)的數(shù)字高程模型，結(jié)合地質(zhì)勘查成果，構(gòu)建包含地表信息和地下信息的礦山三維模型，采用適用于特定礦區(qū)、特定礦產(chǎn)的儲(chǔ)量計(jì)算方法，對(duì)露天礦山進(jìn)行儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

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