基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘实践探索

梁 珂，刘伟东，吴 琼，雷 江

（自然资源部第一大地测量队，陕西 西安 710054）

矿山地质应急测绘实践是测绘部门针对矿山突发事件展开的一系列测绘活动，对矿山突发事件中有关矿山地质特征进行测量，获取、处理并分析相关的矿山地质信息，从而为应对矿山突发事件采取一系列应急措施提供准确、可靠的数据，以此来降低矿山突发事故来带来的经济损失和社会损失[1]。由于矿山地质应急测绘具有特殊的工作性质，要求通过采取有效的测绘方法来保证矿山地质应急测绘工作有序、高效的开展，但是目前所使用的方法由于数据采集效率和精度较低，导致传统方法已经无法满足矿山地质应急测绘需求，为此提出基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘实践探索[2]。摄影测量技术在二十世纪五十年代被提出，发展至今共经历了三个阶段，分别是二维摄影测量阶段、模拟摄影测量阶段、三维数码摄影测量阶段。目前摄影测量技术已经全面进入三维数码摄影测量时代，三维数码摄影测量技术融合了摄影、测量、传感器、互联网等多个现代信息技术，其不仅适用于比较大范围的区域摄影测量，而且其测量精度和测量效率不会因为天气、光照、摄影高度等因素而受到影响，摄影测量周期较短，三维数码摄影测量技术已经被广泛应用到各个领域中，在矿山地质勘查、水利电力、交通等方面都发挥着重要的作用，此次将该技术应用到矿山地质应急测绘实践中，形成一种新的测绘方法，为采取有效的矿山应急措施提供数据依据。

1 基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘方法

1.1 矿山地质数据获取

此次利用三维数码摄影测量技术来获取矿山地质数据。首先根据矿山地质特征，以及所使用的数码相机种类，对数码相机所有摄影参数进行标定，选取一个由大小、形状相同的黑色和白色方格拼接而成的棋盘状模板作为标定模板，通过标定模板中的方格尺寸大小，和数码相机所拍摄的图像数据来标定出约束数码相机拍摄的内部参数。假设标定模板平面上的三维点记为J(X,Y,Z)，其所对应的像平面坐标系中二维点为v[x,y]，则数码相机的参数标定公式如下：

公式（1）中，o和δ为数码相机像平面坐标系横轴与纵轴的缩放系数；R为数码相机旋转矩阵；W为像平面坐标系横轴与纵轴的不垂直因子；a与b为数码相机像主点在像平面中的坐标[3]。利用以上公式对数码相机参数进行设定，然后采用USB的接口容量可以达到128GB，通过Ethernet或串口与飞行器连接，飞行器飞行高度与数码相机拍摄角度需要根据具体的矿山地质特征进行设定，通常情况下飞行器飞行高度在1000m～1500m即可，最后利用无线传感器将采集的到数据传递到计算机数据库中，以此实现对矿山地质数据采集。

1.2 矿山地质数据处理

数据采集结束后，即转入室内数据处理阶段，用V8配套预处理软件进行三维坐标文件生成，然后将图像像素灰度值进行处理，提高图像数据质量，其空间域处理可由以下公式定义：

公式（2）中，f(x,y,z)表示原图像；g(x,y,z)表示处理后的图像；T是对原图像像素的一种操作，其定义在三维空间领域。利用上述公式对原始图像像素增强，改变原有图像灰度值，提高矿山地质图像数据清晰度。最后将增强处理后的三维坐标文件转成数据文件（L），并对其质量分析，统计各测点、剖面及矿山的观测质量，剔除不合格图像数据，以此完成对矿山地质数据处理。

1.3 实现矿山地质应急测绘实践

在矿山地质数据处理的基础上，采用GBKV603.2软件绘制矿山地质剖面图，其过程如下:

（1）首先将所有的图像对应的三维坐标输入到GBKV603.2软件中，完成定位。

（2）然后在GBKV603.2软件中设置读取三维数据的选项，建立三维坐标数据文件。

（3）通过软件对矿山地质高程点、地面点以及辅助点进行划分，以此区分矿山不同的测量点。

（4）从矿山测量点出发，绘制垂直于矿山高程点向下延伸，将所有的测量点进行连接，以此绘制出矿山的基本地质轮廓。

（5）选择之前建立的三维坐标数据文件，展开平面点，绘制出一个完整的三维立体图像，在图像中可以查看到矿山所有测量点的真实三维数据，以此实现了基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘实践。

2 实验

对于一个有效的矿山地质应急测绘方法来说，测绘结果的中误差必须要低于大比例尺测图中误差值，所以为了验证此次设计的基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘方法的实用性，做了如下实验。

2.1 实验设计

实验以某矿山为实验对象，在矿山内布置了8个控制点，其中的4个控制点作为测绘精度配准控制点，剩余的4个控制点作为方法精度验证点，表1为1：1000、1：2000、1:5000矿山地质应急测绘方法规程GB46265-2012。

表1 矿山地质应急测绘精度（m）

运用此次提出方法与传统方法同时该矿区进行矿山地质应急测绘，对比两种测绘方法的中误差。

2.2 实验结果

通过两种方法的测绘实践，得到控制点与方法验证点对比如表2所示。

从表2可以看出，此次提出的测绘方法中误差均小于传统测绘方法，并且也符合矿山地质应急测绘方法规程GB46265-2012标准，证明了基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘方法具有较高的精度。

3 结束语

此次将三维数码摄影测量技术应用到矿山地质应急测绘实践中，形成了一种新的矿山地质应急测绘方法，极大了提升了矿山地质应急测绘效率和精度，突破了矿山地质应急测绘时间短、地质测绘难度等技术瓶颈，实现了三维数码摄影在矿山地质应急测绘实践过程中的规模化应用，并且在全国范围内树立了基于三维数码摄影测量的矿山地质应急测绘实践应用的典型示例，有助于推进矿山应急测绘保障服务能力的有效提升。由于此次研究时间有限，虽然在该方面取得了一定的研究成果，但仍需要继续加强对矿山地质应急测绘方面的研究，为矿山地质应急测绘工作提供有利的参考依据。

表2 两种测绘方法中误差对比（m）