航空摄影测量技术在绿色矿山建设动态监测中的应用

饶兴元

（梅州市测绘与地理信息中心，广东 梅州 514071）

1 引言

矿山作为我国自然资源的重要组成部分，对资源生态服务、地质环境恢复与管理具有较大影响[1]。在矿产资源开发工程高速发展的背景下，绿色矿山建设理念逐渐兴起[2]。基于广义角度分析，绿色矿山建设是指采用科学有序的开采方法，在矿山资源开采过程中，控制矿山周边生态环境的扰动，全面实现科学化开采矿产资源、高效化利用矿山资源、和谐化管理矿山的目标[3]。现阶段，我国在绿色矿山建设动态监测方面的研究日益成熟，能够有效监测矿山开采过程中的异常情况。文献[4]提出基于BDS-3 卫星导航技术的矿山动态监测方法，通过分析雷达遥感、无人机遥感、远距离三维激光扫描、无人机倾斜摄影、激光雷达等现代测量技术的优缺点，以及将这些技术应用于矿山动态监测中的可行性与局限性，实现矿山动态监测。文献[5]提出基于倾斜摄影测量技术的矿产资源监测方法，通过构建矿山监测区域的DEM、DOM、实景三维模型等倾斜摄影测量产品，分析露天矿山企业在该时间段内的开采量、储量、变化区域，以及是否存在越界违法开采现象等。但上述方法对无人机飞行作业高度计算的精度较低，导致航线路径规划存在较大偏差，降低了矿山建设动态监测结果的准确率。

航空摄影测量技术可以根据被监测矿山的实际情况，采用高精度无人机，设计指定的监测飞行路线，监测中心根据矿区地物分布情况，实时调整无人机的监测航线，具有较高的灵活性与监测精度。基于此，本文引入航空摄影测量技术，提出了一种全新的绿色矿山建设动态监测方法，有助于促进我国绿色矿山建设的信息化、智能化发展。

2 绿色矿山建设动态监测方法设计

2.1 布设绿色矿山地面监测控制点

本文设计的绿色矿山建设动态监测方法，是采用实时动态载波相位差分技术，全方位分析被监测矿区的相关情况[6]。依据被监测矿区的三维坐标，布设地面监测控制点，为后续无人机动态监测提供基础保障[7]。首先选取绿色矿山中基准站与流动站的布设位置，通过GPS 卫星定位与无线电通讯系统，实时获取矿山内的载波观测信号，提取矿山地面监测控制点的有效坐标值[8]。其次，采用彩带十字丝方法，布设地面监测控制点。需注意，由于矿区地形变化显著，且存在一定的不确定性，在矿山采坑区域周围布设地面监测控制点时，尽量布设密集一些 ；在地形平缓区域，可以相对稀疏一些，保证地面监测控制点覆盖绿色矿山所有区域。

2.2 基于航空摄影测量技术规划无人机动态监测任务

地面监测控制点布设完成后，采用航空摄影测量技术规划设计无人机飞行任务。首先，根据矿山监测区域的地形、气候、地质条件等情况，选取分辨率与精度较高的无人机。本文选取MAVIC PRO 四旋翼无人机，机身尺寸为214mm×91mm×84mm，重量约为905g，具有2000 万有效像素，最大信号有效距离分别为：FCC：10000m；CE：6000m；SRRC：6000m；MIC：6000m。其次，基于航空摄影测量技术对矿山监测区域的地形进行考察，结合考察结果布设矿区地面控制点。无人机飞行任务规划流程如图1 所示。

图1 无人机动态监测飞行任务规划流程

开展无人机飞行任务首先要根据多传感器采集的监测矿区气象数据，确定无人机飞行动态监测任务时间，依据导航地图软件，获取无人机禁飞空域，进而确定动态监测作业范围。然后设定不同比例尺下绿色矿山建设动态监测影像的地面分辨率。根据地面分辨率、无人机相机焦距以及航空摄影像元尺寸之间的关系，规划无人机动态监测的飞行高度，计算公式为：

公式（1）中，qx表示绿色矿山建设动态监测影像的地面分辨率；f表示无人机相机焦距；p表示航空摄影像元尺寸。无人机动态监测作业飞行高度确定后，为提高航空摄影测量的准确度，应实时调整相同航线上矿山监测影像的重叠度，避免相邻影像重叠度超出范围。在此基础上，计算无人机动态监测飞行作业基线的长度，确定无人机飞行航线路径，计算公式为 ：

公式（2）中，L表示无人机动态监测飞行作业基线长度；hx表示无人机飞行作业航线间的间隔宽度；rx表示无人机飞行作业航向重叠度。

通过计算，获取无人机动态监测飞行作业的基线长度，确定无人机的航线路径，然后检查与调试无人机设备的运行状况，检查无误后开始无人机航空摄影测量，实时将无人机航空摄影测量数据上传至飞控系统。数据采集结束后，监测中心的工作人员要及时查看矿山中是否存在漏拍区域，若出现异常，则对异常部分进行补拍。

3 实例分析

为了进一步验证本文设计的无人机动态监测方法的有效性与应用效果，以S 绿色矿山建设工程为例，进行了实例应用分析。

3.1 矿山概况

选取某地区S 绿色矿山工程为研究对象，该矿山整体呈现ES 走向，为斜坡地形，属岩溶槽坡地貌。矿区最高点高程为+425.82m，最低点高程为+332.45m，矿区地形坡角在25°～40°范围，地表水排放情况良好，较难形成矿区地表水汇集。S 绿色矿山所在区域属于亚热带湿润季风气候，降雨量充沛，最大年降雨量约为1468.25mm，降雨主要集中在每年的5～8 月份，矿区平均相对湿度为78.2%。全面掌握该矿山工程情况后，将本文设计的无人机动态监测方法应用到S 绿色矿山建设中，实时监测矿山的动态变化。

3.2 结果分析

为了更加直观地验证本文方法的可行性，将上述基于航空摄影测量技术的绿色矿山建设动态监测方法，分别与文献[4]、文献[5]方法进行对比分析。采用精度较高的多旋翼无人机航空摄影测量系统与内业影像解译系统作为试验工具，检查航空摄影影像质量，查看有无明显云雾遮挡、影像清晰度是否符合要求等。利用Context Capture 软件，对航空摄影影像进行三维建模，基于S 绿色矿山简单的重叠影像，构建模拟出真实的监测矿区三维场景。

在S 矿山监测区域，随机布设6 组矿区地面控制标靶监测站点，分别标号为LSKS01、LSKS02、LSKS03、LSKS04、LSKS05、LSKS06。掌握S 矿山像控点的变化，采用空三加密点，计算出矿区地面控制标靶监测站点的不规则三角网TIN。应用三种矿山建设动态监测方法，实时获取矿山成果数据，得出监测站点的监测高程值，如表1 所示。

表1 三种方法矿山监测站点监测高程值

从表1 可以看出，三种方法获取的监测高程值差异明显。为了验证监测高程值的精度，利用有限元分析软件，测定S 矿山监测区域地面控制标靶监测站点的实际高程值，并与三种方法监测到的高程值进行对比，获取三种监测方法的高程误差率，如图2 所示。

图2 三种监测方法高程误差率对比

从图2 可知，采用本文提出的基于航空摄影测量技术的绿色矿山建设动态监测方法，各地面控制标靶监测站点的高程误差率均在1.2%以下，低于另外两种监测方法，且监测结果精度更高，偏差更小，优势显著。

为进一步验证本文方法的实用性，以矿山监测时间为实验指标，采用本文方法、文献[4]方法与文献[5]方法进行对比测试，测试结果如图3 所示。

由图3 可以看出，本文方法的监测时间最高为28s，文献[4]方法的监测时间最高为50s，文献[5]方法的监测时间最高为69s，本文方法的监测时间明显低于其他两种方法，效率较高，可有效实现对矿山的动态监测。

图3 三种方法监测时间对比

4 结束语

绿色矿山是我国重要的自然资源之一，对其环境、地质与资源的动态监测要求较高。绿色矿山建设动态监测方法能有效监测开采区域地质灾害、生态平衡的动态变化，为矿山安全高效开采、矿区生态恢复治理提供依据。为改善传统矿山动态监测方法精度较低的问题，本文引入航空摄影测量技术，设计了一种全新的无人机动态监测方法，可有效提高矿山监测结果的精度，降低矿山地质灾害发生与环境破坏的可能性，对促进我国绿色矿山生态管理发展具有重要意义。