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投稿單位：湖北省國土測繪院
武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室
投稿人：龔元夫、謝菲、孟鵬燕、林昱
一、引言
傳統(tǒng)的礦山無證開采調(diào)查一般采用野外實測的方法，對無證開采的區(qū)域進行實地測量，該方法工作量大、時間長，需要耗費較多的人力和物力，且不能很好地估算被非法開采的礦石資源方量，因此工作效率往往會很低。
作為國際測繪領域一項高新技術，傾斜攝影測量技術(obliquephotography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，近年來在信息化測繪領域進行了諸多探索。該技術顛覆了以往航攝只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細的地物信息數(shù)據(jù)。在拍攝相片的同時，機載傳感器記錄航高、航向、坐標和飛行姿態(tài)等參數(shù)，嵌入地理信息、影像信息，使影像數(shù)據(jù)真實地反映地物情況，并能通過調(diào)整航攝分辨率，達到滿足要求的精度。
礦山無證開采調(diào)查在獲取數(shù)據(jù)的過程中就很受益于低空傾斜攝影測量這一全新的技術。目前該技術在許多礦山監(jiān)測和調(diào)查中都得以應用，在不遠的將來無人機傾斜攝影測量對于礦業(yè)領域而言或許就是必不可少的一項配置了。
二、技術路線
調(diào)查工作采用低空傾斜攝影測量技術，對礦山無證開采區(qū)域進行實地航飛和三維建模，生成高精度三維模型及對應的DOM和DSM，并制作數(shù)字高程模型DEM。在此基礎上運用挖填方操作原理計算采礦前后兩期DEM之間的地表變化差異，從而獲取礦山無證開采的礦產(chǎn)資源方量，再對礦區(qū)巖石樣本進行巖性鑒定和密度檢驗，確定礦石類別和密度，從而估算出礦山無證開采的礦產(chǎn)資源價值。整體技術路線如下圖所示。
圖1：低空傾斜攝影開展礦山無證開采調(diào)查的技術路線
三、實際作業(yè)流程
礦山無證開采調(diào)查采用低空傾斜攝影測量的方法構建礦山無證開采區(qū)域的三維模型，并生成對應的DOM及DSM，以便于后續(xù)分析工作的展開。
1、資料收集和準備
在外業(yè)作業(yè)前，首先要收集測區(qū)資料，包括控制點成果、坐標系統(tǒng)和高程基準參數(shù)、已有的地形圖成果與地名資料等，制定無人機航飛技術方案并申請空域，明確無人機搭載的傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔等問題。外業(yè)工作人員按逐航帶或測區(qū)面積布設像控點，然后依照技術方案的安排，用無人機搭載多傳感器從不同角度采集地形數(shù)據(jù)。調(diào)查采用固定翼無人機獲取傾斜影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。
2、低空傾斜攝影數(shù)據(jù)采集
1）硬件設備選型
調(diào)查采用固定翼電動型無人機F200進行航飛，其平臺參數(shù)如下表所示：
表1：無人機航攝平臺
采用的是SONY QX1*2型系列傾斜攝影傳感器，相機參數(shù)設置如下：
表2：航攝相機參數(shù)
2）影像獲取
調(diào)查獲取礦山無證開采區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，依照外業(yè)航空攝影測量規(guī)范及調(diào)查需求設計航飛范圍和路線。按照技術要求，獲取4cm分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)，其航線設計如圖2所示：
圖2：調(diào)查區(qū)的航線設計
最終礦山無證開采調(diào)查區(qū)域獲取傾斜影像共992張，將影像POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉成西安1980坐標系，采用高斯三度帶投影方法獲取平面坐標數(shù)據(jù)，高程基準統(tǒng)一采用85國家高程。
3）控制點測量
為使三維模型數(shù)據(jù)滿足精度要求，需在測區(qū)范圍內(nèi)布設一定數(shù)量的控制點，其坐標系統(tǒng)與POS數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一。
3、高精度三維模型構建
將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及控制點數(shù)據(jù)導入ContextCapture軟件中進行三維模型構建，分別經(jīng)過自由網(wǎng)平差、刺點、帶準確控制點信息的區(qū)域網(wǎng)平差，最后進行三維模型重構，生成三維模型數(shù)據(jù)以及對應的DOM、DSM，其中空三加密、平差優(yōu)化以及模型構建均由軟件自動處理。經(jīng)過控制網(wǎng)平差優(yōu)化后，礦山無證開采測區(qū)的誤差符合精度要求。
最終生成的三維模型數(shù)據(jù)如圖3所示：
圖3：調(diào)查區(qū)的三維模型
4、調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源方量計算
1）無證開采礦產(chǎn)資源范圍提取
基于傾斜攝影測量獲取的高精度三維模型（采樣間隔0.04米，高程精度約0.15米），利用EPS地理信息工作平臺，測量被無證開采礦山的開采邊界線，采集礦產(chǎn)資源開采范圍，如圖4為基于高精度三維模型測量被無證開采礦山的開采邊界線的示意圖。
圖4：基于高精度三維模型獲取無證開采礦產(chǎn)資源范圍示意圖
沿礦產(chǎn)資源開采邊界的陡坎，利用EPS平臺獲取了調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采的范圍，如圖5所示，為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采的范圍。
圖5：無證開采礦產(chǎn)資源范圍示意圖
2）采礦前/后數(shù)字高程模型（DEM）獲取
由于未收集到2016年數(shù)字高程模型（采礦前時間節(jié)點為2016年），僅收集2016年調(diào)查區(qū)1:2000比例尺地形圖，而根據(jù)挖填方工具數(shù)據(jù)輸入要求，需要獲取前后兩期DEM進行運算。因此，需要將地形圖轉換成DEM。
圖6：基于地形圖構建三角格網(wǎng)
利用ARCGIS空間分析工具集，首先提取調(diào)查區(qū)地形圖的等高線和高程，并為兩要素文件賦高程屬性；其次，根據(jù)高程屬性將兩要素文件轉為3D要素，將3D要素通過創(chuàng)建TIN方式構建調(diào)查區(qū)三角格網(wǎng)，如圖6所示，最后，采用數(shù)字模型轉換模擬的方法自然鄰域插值法，將三角格網(wǎng)轉換成所需DEM，如圖7所示調(diào)查區(qū)采礦前DEM。
圖7：調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采前山體DEM
調(diào)查區(qū)采礦后DEM是于2018面10月4日實地航飛測量，并經(jīng)過后期建模獲取所得，如圖8為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采后山體DEM。
圖8：調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采后山體DEM
3）巖石表層松散堆積物厚度估算
由于巖石經(jīng)過長期風化或搬運堆積，在巖石的表層會形成一定厚度的風化物、殘積物、坡積物等松散堆積物，而這些松散堆積物對于計算實際開采巖石方量的計算有一定的影響。
巖石表層松散堆積物厚度主要通過實地采樣測量取平均方式獲得。由于礦石開采，采坑剖面可直觀觀測巖石表層松散堆積情況，通過測量采坑周圍6個樣本點位巖石表層松散堆積物剖面厚度，獲取了巖石表層松散堆積物的厚度，分別為：3.01、2.90、2.95、2.82、2.92、2.98（米），經(jīng)估算，其平均厚度為2.93米。后續(xù)在進行礦石開采方量估算時應予以扣除。
4）無證開采礦產(chǎn)資源方量計算
通過空間分析綜合運算方式去除巖石表層松散堆積物厚度影響，然后利用挖填方工具通過計算采礦前后兩期DEM之間地表變化差異，獲取調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)資源被無證開采方量。
通過設置參考剖面可直觀查看采礦前后礦產(chǎn)資源被無證開采的變化情況，如圖9和圖10所示。
圖9：所設置參考剖面線位置
圖10：采礦前/后調(diào)查區(qū)山體DEM剖面變化情況
根據(jù)挖填方計算結果，最終獲取礦山調(diào)查區(qū)被無證開采礦產(chǎn)資源儲量，如圖11中藍色部分所示，圖中紅色部分為開采過程中堆積的碎石土。
圖11：調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源情況
5、巖性鑒定和密度檢驗
調(diào)查中實地獲取了調(diào)查區(qū)5個分散點位的礦石樣本，并送湖北省地質(zhì)實驗測試中心進行巖性鑒定，經(jīng)試驗分析，最終確定調(diào)查區(qū)礦石類別為灰質(zhì)白云巖。與此同時，對5個礦石樣本巖石物理性質(zhì)進行了實驗測試，根據(jù)調(diào)查取樣試驗測試報告，5塊礦石樣本礦石體重分別為2.65、2.57、2.63、2.54、2.61（t/m³），最終取礦石平均體重D=2.6 t/m³。
6、調(diào)查區(qū)無證開采礦產(chǎn)資源儲量計算
根據(jù)礦石平均體重和計算所得礦石資源方量，即可計算得到調(diào)查區(qū)自2016年8月至2018年9月被無證開采的建筑用含灰質(zhì)白云巖資源儲量礦石量。
四、精度分析與評價
本次調(diào)查要求，航攝需滿足工程攝影測量規(guī)范中1:1000丘陵地的精度要求，被無證開采礦石量估算值偏差不得超過實際儲量值的5%。根據(jù)工程攝影測量規(guī)范，平面地物點中誤差和高程注記點精度要求見表3。
表3：平面地物點中誤差和高程注記點精度要求
實地選取了調(diào)查區(qū)內(nèi)均勻分布的30個檢查點評定數(shù)學精度，基本等高距為1m，平面和高程誤差統(tǒng)計見表4。
表4：地物檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計
計算如下：
平面中誤差在圖上距離為0.284mm，小于圖上0.6mm；高程中誤差小于0.5m（1/2基本等高距），被無證開采的建筑用含灰質(zhì)白云巖資源儲量礦石量估算值偏差為實際儲量值的2.34%。由此可見，利用低空傾斜攝影技術開展礦山無證開采調(diào)查符合工程攝影測量規(guī)范中對基本精度的要求，保證了成果數(shù)學精度，綜合該方法省時高效的特點，適合小區(qū)域快速開展礦山無證開采調(diào)查。
五、總結與展望
本文提出利用低空傾斜攝影測量技術開展礦山無證開采調(diào)查，試驗證明成果精度達到了工程攝影測量規(guī)范要求和礦石資源儲量估算精度要求。與傳統(tǒng)調(diào)查工作方式相比，測量時間減少1/3以上，人員減少2/3。特別是外業(yè)采集數(shù)據(jù)階段，傳統(tǒng)調(diào)查方式需要根據(jù)調(diào)查區(qū)面積大小配備相應數(shù)量的調(diào)查人員，采用低空傾斜攝影方法只需3~4人，降低了調(diào)查成本，特別適用于小區(qū)域快速開展礦山無證開采調(diào)查。
目前，該方法還存在無人機飛行作業(yè)受天氣影響較大、需進行差分POS保證精度、提取無證開采礦山的開采界線過程非自動化等問題，未來相關硬件軟件難題的深入研究將為推廣低空傾斜攝影開展礦山無證開采調(diào)查的應用提供條件。
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