基于实景三维的露天矿山开采动态监管方法研究

焦学军，王金娜，宋会传

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450000；2.河南省天空地遥感智能监测工程技术研究中心，河南 郑州 450000；3.河南省自然资源天空地遥感智能监测研究科技创新中心，河南 郑州 450000）

为了促进矿产资源的有序开发和合理利用，全面提升露天矿山监管水平，减少矿山越界开采造成国家矿产资源损失与可能带来巨大的安全隐患，及时客观地掌握矿山开发利用现状[1]，结合2020年河南省国土厅自然资源科研项目《基于实景三维的露天矿山智能监管示范研究》，采用倾斜摄影测量技术、三维地质建模技术、三维GIS技术、GNSS技术开展了露天矿山开采动态监管方法研究。

通过河南省露天矿山矿业权现状进行实地核查，对示范矿山进行三维倾斜测量，采集地表地形数据，并根据矿山地质勘查数据进行三维矿山建模，构建地上下一体化的三维实景露天矿山，采用三维GIS技术实现实景三维与地下矿体三维一体化监测、移动定位开采范围监测、超层与越界监测与定量分析，及时纠正核查中发现的问题，强化矿业权监督管理信息基础，提高矿业管理水平，实现对全省露天矿山科学监督与有效管理。查明超层越界开采造成的矿产资源破坏量，构建动态监测信息系统，综合采用倾斜摄影测量、全球定位系统、地理信息系统和移动地理信息系统技术，开发了河南省露天矿山开采动态监测信息系统，实现实景三维动态监测“数据快速获取、准确发现目标、快速查处、及时反馈”的快速反应机制，实现露天矿山开采范围和储量消耗变化的动态监测管理，提高矿山开采动态管理的效率和水平[2-5]。

1 露天矿山三维实景建设

1.1 数据采集

1.1.1 倾斜摄影测量

1）像控点布设及测量。采用区域网布点法，按照4～5条基线，逐条航线布设平高像片控制点的原则进行布点。像控点间距400 m以内，对于特殊困难地区像控点间距进行适当放宽。利用河南省CORS系统，采用RTK测量模式快速静态方式施测，采用无人机搭载五拼倾斜相机进行倾斜摄影测量。

2）三维实景建模及DLG、DEM、DOM制作。采用ContextCapture完成航测的后期GIS数据处理，生成实景三维模型数据和正射影像数据及DEM数据，采用专业软件平台三维测图模块同时加载实景三维模型数据和正射影像数据，二三维联动一体化进行地形图测绘生成DLG。

根据相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息，在进行空中三角测量计算、模型重建计算后，输出相应的GIS成果。输出格式包括OSGB、OBJ等。空中三角测量计算是后期数据处理过程中的重要步骤，概略3D视图帮助理解相片和拍摄场景的结构，同时空间三角计算结果也是三维重建计算的基础。

三维重建计算在指定坐标系下完成，由于拍摄范围大，影像数据多，完成重建需要计算机较大的内存，应根据计算机性能重建框架，调整重建范围及瓦片大小，将原框架分为若干个大小相同的数据切块，分块进行重建计算。

1.1.2 地质勘查数据

三维地质建模体系结构一般可分为数据采集、数据存储、数据应用3个阶段。以矿山业务流程中数据流与功能流的运动过程为依据，可建立如图1所示的矿山三维建模系统构架。

图1 地质勘查数据建模流程

l）数据采集系统。以钻孔等勘测数据为主要数据源，结合专家信息，承担数据的采集、质量控制与更新。

2）数据存储系统。实现多源异构数据的集中存储与管理。由于矿山数据量大，数据间关系复杂，因此可采用面向对象数据库、关系数据库或其他类型电子文档等多种方式组织矿山数据。

3）数据应用系统。根据各地质体建模需要，从数据存储系统中读取建模数据，具有模型建立、显示、分析与输出等功能，为矿山业务管理和决策所需的各类工程计算与应用分析提供服务。

1.2 实景三维与地下矿体建模

三维建模包括三维矢量模型、三维栅格模型、混合集成模型3种方法，三维矢量模型是用一些基元及其组合来表示三维空间。三维栅格模型亦称体模型，是基于体元表示的数据模型，混合集成模型则是面向记录的数据语义模型[6]。

本文采用的建模方式包括三维矢量模型与三维栅格模型，其中三维地形采用瓦片影像模式三维栅格模型，便于大范围模型的显隐，采用了LOD技术，而三维地层岩层矿体则采用三维矢量模型，便于三维量测与统计。

1）地形建模流程。采用三维倾斜摄影生产osgb格式的三维地表影像模型与DSM、（数字地表模型）、DOM（数字正射模型），在ArcGIS组件ArcSCEN中采用DSM拉伸表示地形，DOM同步表示地表纹理，生产三维地表模型。

2）矿体建模流程。基于剖面的矿山三维重构是利用一系列勘探剖面，通过提取剖面上矿山空间实体的边界，利用轮廓线生成算法，构建三维地质体模型的建模方法。基于剖面的矿山三维重构是利用剖面上大量的点、线信息表达各个层面，进而来构建三维地质体的建模方法。剖面上的点、线信息属于某特定地层、断层、矿体边界。此方法的建模步骤总体上分为三部分：剖面信息预处理、空间知识库的建立、矿山三维重构[7]。

采用MapGIS地质勘查数据，首先统一坐标系统，把地质勘查数据与上述地表倾斜数据统一到同一坐标系统下，将勘探线导入到3dmine软件中，作为地下矿体建模的骨架；然后将勘探线上对应的剖面图导入3dmine软件中，利用平面2点坐标调换，根据剖面图上垂向尺度数字，将XY坐标投到正确位置，然后利用坐标调换yz，将二维剖面图投影到三维空间，采用剖面图标有坐标值的坐标格网特征点，坐标值利用两点坐标转换把XY坐标投转到正确的空间位置。最后利用空间三角网实现相邻剖面之间的连接，首尾剖面实现扩展外推闭合，最终形成闭合的三维矿体模型。

3）矿证范围三维建模。根据地勘报告中采矿证范围拐点坐标，统一到倾斜数据坐标系统下，采用投点连线构面方式生成采矿证范围面，然后转换成含高程的矢量面，高程即选择采矿证最低高程。在ArcSECEN中对采矿证范围进行拉伸，拉伸高度为采矿证高差（如图2）。

图2 三维地质体构建

1.3 地上下三维一体化三维实景

根据二维地下空间三维数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型。

以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下矿体的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型（如图3）。

图3 地上下三维一体化

在3dmine中，导出三维矿体模型，并转换为3ds格式，导入到ArcSECEN软件中，实现与地表模型及采矿证范围模型的整合。

2 露天矿山监管

2.1 开采量监测

矿体模型与采矿证范围三维模型空间叠合，并与三维地形模型套合，形成地上下一体化模型，可以采用定性与定量的方法进行矿体开采计算与判断（如图4）。

图4 采矿证与矿体三维整合分析

首先是矿体模型与采矿证范围模型进行相交运算，获得许可开采的矿体部分，并可以计算矿体总体积、总重量。其次将矿体模型与地表模型进行分割运算，地表上部是已经开采的部分，地表下面为未开采部分。把开采部分模型与采矿证范围模型进行相减运算，剩余部分大于0则存在超采，并可以获得超采体积与重量（如图5）。

图5 开采现状分析

2.2 移动定位开采活动监测

利用矿山安全生产系统人员及设备定位设备的实时位置信息，通过网络传输服务器，进行坐标转换，生成统一倾斜摄影数据坐标系统，然后投点上图（如图6），根据人员设备三维位置信息与采矿证范围进行三维空间运算，根据人员设备的位置与轨迹判断矿山开采活动范围及其是否越界、是否超层开采，作为管理机构的执法依据。

图6 定位于轨迹监测

2.3 超层与越界监测与定量分析

利用倾斜摄影三维地表模型，与采矿证范围三维模型进行叠合，采矿证范围最低高程面渲染红色，最高高程面渲染绿色。地表模型与采矿证范围空间相交，显示颜色可以定性判断开采是否超层（如图7）。

图7 超层与越界监测

超层面积计算采用射线监测方式：

设最低可采平面的直线方程（法线式）：x·cosα+y·sinα-d=0（α为直线倾斜角，d为原点到该直线的最短距离）。

空间的方程：x·cosα+y·cosβ+z·cosγ-d=0（α、β、γ为平面绕3个轴的旋转角，d为原点到该平面的最短距离）

射线从最低可采平面内一点o发射，方向向量为f，则有射线r公式：

碰撞检测的平面公式：

式中，P为最低可采平面上任意点；n为平面的法向量的方向余弦；d为原点到该平面的距离。

根据射线相交公式求出在射线与平面相交位置，并从屏幕坐标系转化为碰撞物体的本地坐标后，可以进行碰撞检测，并求出碰撞交点。

采用射线技术，由超层红色面中心向四周发射射线群，与地表模型相交产生交点群，交点群顺序连接生成超层面，进而可以计算超层面积。由超层范围内三维地表模型采集各像素高程坐标，与采矿证最低高程进行减法运算，并累计获得超层体积（如图8）。

图8 超层与越界开采计算

2.4 历史动态监测

加载不同时期的遥感影像与不同时期的矿山解译数据，并对某一区域或某一类矿山单元的变化动态进行监测，监测矿山图斑的变化范围、变化趋势、变化动态、面积比例。

3 结语

通过倾斜摄影测量构建实时的三维实景，准确反映了露天矿山开采现状，利用地质勘查数据，构建地下矿体模型，与三维实景实现地上下三维模型整合，可以实现准确分析、计算、统计露天矿山储量、开采量、越界与超层开采量及人员设备运行轨迹，并可以通过多期测量实现露天矿山开采状况的历史跟踪，为露天矿山开采监管提供行之有效的技术手段。