无人机航测技术在矿山地质环境监测中的应用

游昆鹏 涂旭东

（陕西凤县四方金矿有限责任公司）

我国矿产资源的需求量很大，矿山生态系统由于资源过度开采产生了较大破坏，导致了日益严重的资源、环境和地质灾害问题。在对矿山地质环境进行治理及监测的工程中，以点为测量对象的传统测量方法很难获取到待监测区域的全要素地形信息，从而制约地质环境治理的规划和决策。

近年来，小型无人机航测技术的发展使得无人机航测技术在各行各业都得到了广泛应用。冯雅秀［1］通过对无人机实景三维建模和数据精度的研究，认为当前无人机航测所取得的DSM、TDOM等成果精度可用于高精度三维建模。张崇军等［2］利用无人机倾斜摄影测量方法获取监测滑坡体的真三维模型，认为可以用于降雨后形变在3 cm以上的监测。张兵兵等［3］将无人机航测用于大宝山矿露天矿山采空区的精细化验收，认为其成果精度完全满足1∶500地形图精度要求，可用于露天矿山采空区的精细化验收。

以上研究成果为矿山地质环境监测提供了新的思路。本研究以四方金矿地质环境监测为背景，论述了无人机PPK免像控航测技术在矿山地质环境监测方面的应用成果，并结合GIS软件对监测成果进行多样化表达。

1 项目背景

该项目以四方金矿采区地表为监测对象。该区大地构造位置处于秦岭褶皱系南秦岭印支褶皱带，属秦岭中山区地貌类型。经过多年地下开采，山体表层边坡破碎滑塌，形成一个宽约422 m、斜长约450 m、高差约350 m的碎块石堆积边坡，面积约14万m2。矿山于2018年开始对采区地质环境进行恢复治理，为巩固治理成效并减少地下采矿活动对地表的影响，近2 a采矿方法由崩落法转为充填法。为监测治理成果并对地质灾害进行预警，需要对该区实施采空（塌陷）监测、不稳定边坡监测、地貌景观损毁（恢复）监测。根据《矿山地质环境监测规程》（DZ T0287—2015）规定的监测等级划分标准，该区域监测等级为三级。

该区域周边植被茂盛，山势陡峭且无道路通行。无论是利用传统的全站仪极坐标法还是GNSS静态测量或者实时差分动态测量（RTK）均难以施测，采用无人机低空摄影测量又无法在测区四周布设地面控制点控制整个测区。经过多次试验，仅在测区单边方向（山脚）布设地面控制点时，当地形起伏高差相对地面控制点高度超过80 m后，所测成果平面和高程精度都急剧下降。通过查找研究资料和试验验证，最终选择使用有架构航线的PPK免像控航测技术，地面控制点仅做检查点使用，不参与空三平差计算。

2 主流免像控航测技术的对比

免像控航测技术的实现主要依靠高精度的POS数据获取外方位元素，提高空三解算精度。目前获取高精度POS数据的手段主要是在无人机上安装传感器和RTK模块，然后通过实时差分或者后差分的方式求解拍照瞬间的相机空间位置。当前主流的免像控航测技术主要有传统机载GNSS/IMU技术、RTK实时差分技术、PPK后差分技术。研究资料表明［4］，当前技术下RTK实时差分技术和PPK后差分技术获取的POS数据位置精度可以达到2 cm以内。

传统机载GNSS/IMU技术利用单点定位技术与惯导结合，通过内插方法估算相机的曝光点位置和姿态，获取POS数据，精度较低。RTK技术与PPK技术获取的POS数据精度相当，但由于RTK技术需要在基站和无人机之间建立通信连接，在山区和具有高大障碍物存在的区域飞行时，有可能出现通信中断信号失锁的情况。因此，RTK技术更适合于在平坦地区使用，PPK技术适合于地形复杂的山区。但无论是RTK或者PPK技术支持下的无人机免像控航测，都需少量的能够控制整个测区的地面控制点进行联合平差以提高成果精度和可靠性，在无法布设足够控制点的情况下很难获取到所需精度的成果数据。由于构架航线摄站坐标可以起到地面控制点的作用［5］，因而采用构架航线的免像控航测技术可以在更少或者没有地面控制点的情况下获取较高的成果数据。文献［5］研究了高差130 m内，构架航线对无人机影像精度的影像，本研究验证了在高差350 m时的构架航线无人机免像控航测精度。

3 试验方案

本项目采用的飞行平台为飞马E2000航测系统，利用到的数据处理软件主要包括飞马无人机管家、瞰景Smart3d、Arcgis10.8等。主要技术流程：首先通过计算、设置合理的航线参数，利用无人机周期性对监测区域进行航测，通过飞马无人机管家和瞰景Smart3d生产真三维模型和DSM、TDOM正射影像；然后利用Arcgis10.8软件对不同期成果数据进行分析对比，最后形成多样化的可视化监测成果。技术流程如图1所示。

监测区域高差较大，采用变高航线飞行，航线方向和等高线平行。并垂直于航线方向规划若干条构架航线，加强航线约束，提高成果精度。摄影方式采用垂直摄影。

飞马E2000所搭载Sony ILCE-6000微单相机，GSD为30 mm时，由式（1）计算相对航高H为195.7 m。

式中，H为相对航高，m；f为相机物镜焦距，mm；a为CCD像元尺寸，μm；GSD为地面分辨率，mm。

式（2）为航空摄影测量高程精度计算公式：

式中，mh为地面点高程坐标精度，mm；k为常数；B为摄影基线长度，m。

由式（2）可以看出，在地面分辨率GSD和航高H确定的情况下，摄影基线长度B越大点位高程精度越好，但影像重叠度越低。影像重叠度低会影响照片特征点密集匹配效果，进而影响空三成果可靠性。如何平衡高程精度和影像重叠度也是无人机摄影测量的一个难点。申二华等［6-7］通过对不同基高比的对比试验，认为在地物特征明显地区较高的重叠度可以在一定程度上弥补小基高比的高程精度缺失，但在地貌复杂特征不明显地区仍需进一步研究影像匹配算法。本项目对高程精度要求较高，结合前人研究成果，选取航向重叠度80%，旁向重叠度60%。多次航测数据表明，该重叠率下影像密集匹配通过率高于96%，影像连接强度良好。

由于地形条件限制，无法按常规方式布置控制点。在监测区山脚下沿路布设单边控制点10个（图2），用于检验航测成果的精度。

为了确保地面控制点精度，剔除地面控制点误差对精度分析的影响，采用RTK多次平滑采集坐标，部分控制点点位精度见表1。

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4 精度分析

为了验证构架航线免像控精度以及地面控制点对构架航线精度的影响，设计了2种平差方案进行对比。第一种方案是仅采用高精度POS数据进行空三计算，无地面控制点参与平差计算；第二种方案是同时采用高精度POS数据和4个地面控制点联合空三计算。采用飞马无人机管家分别对2种方案进行空三计算，生产TDOM和DSM，在TDOM和DSM读取检查点平面坐标和高程值。通过对比检查点图测值和RTK所测三维坐标值，计算检查点点位中误差评估成果精度。所得精度检验结果分别见表2和表3。

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由表2可以看出，利用PPK获得的高精度POS数据在无地面控制点参与空三解算的情况下，得到的检查点坐标与RTK实地所测坐标X方向最大值-0.102 m，Y方向最大值-0.116 m，Z方向最大值-0.198 m，坐标平面中误差0.087 m，高程中误差0.103 m，符合预期精度。

由表3可以看出，利用高精度POS数据和4个地面控制点参与空三解算的情况下，检查点X方向最大值0.079 m，Y方向最大值0.084 m，Z方向最大值-0.140 m，坐标平面中误差0.082 m，高程中误差0.105 m。与表2数据对比可知，除参与计算的控制点本身点位精度有明显提高外，检查点平均点位精度并没有得到明显提升，只是在X、Y、Z方向差值最大值上有所减小。

从精度分析结果可知，当有构架航线时，无论有无地面控制点参与计算，无人机PPK免像控航测技术都可满足矿山地质环境监测要求和1∶500大比例尺地形图精度要求，可以用于高陡复杂边坡的监测数据采集。

5 成果应用

矿山地质环境监测的目的是及时掌握灾害体变形动态，分析其稳定性并预测变化规律；为地质环境治理提供可靠资料和科学依据。因此，对采集到的三维模型和正射影像数据进行可视化表达，对矿山安全、高效、绿色和集约开采具有重要意义。

对地貌景观破坏和地貌景观恢复监测的可视化表达可以在TDOM上提取边界或者矢量化边界。利用Arcgis10.8软件对提取到的边界赋日期属性值，通过启用时间图层制作时态变化图，动态展示不同时间节点地貌景观破坏或者恢复情况。本研究重点讨论静态图的制作。

DSM本质是在每个栅格像元内存储不同的像素值，这个像素值就代表了这个像元对应实地位置的高程值。如图3所示，方格代表像元，方格内的数字分子部分代表该像元的像方坐标，分母代表该像元存储的像素值。像元的像方坐标可以通过数学计算映射至物方坐标。

像元是栅格图像的最小量测单位。如图3所示，在栅格图像上画一条剖面线，就可以通过数线条经过的像元数确定剖面线不同距离处的像素值。基于此原理，可以在一幅DSM上得到任意线条的剖面图；也可以在2幅或者多幅DSM上得到剖面图变化值。图4为监测区2期DSM在某勘探线上的剖面图。

通过剖面图可以直观看出在距边界150～200 m处采矿活动引起了漏斗深度加深。

基于DSM的实现原理，可以对2幅像元大小相等的栅格图像执行数学运算。图5为2期DSM相减得到的地表变化等值区间图。

图5采用灰度值表示地表2期地形高差变化值，颜色越浅表示地面下沉量越大。等值区间图会在某些小区域内造成很多难以分辨的小多边形，同时一部分不感兴趣的区域可能占据较大面积干扰视觉认知，因此等值区间图适用于表达整个监测区的宏观变化情况。

6 结 论

（1）采用构架航线无人机PPK免像控航测技术可以应用于地面特征点不明显且地形高差起伏超过350 m的高陡边坡地形的矿山地质环境监测。

（2）除DSM剖面图、等值区间图外，利用航测获取的数据通过与GIS技术结合可以获得坡度坡向图、变化风向图等更丰富的表达形式，拥有着广阔的应用前景。

（3）航测最终监测成果精度虽不及传统接触式测量，但相比传统测量航测能够获得监测区域的全要素信息，对地质环境治理规划和决策更有意义。