矿山地质测绘新技术的应用研究

郭志明

（山西华阳集团新能股份有限公司二矿，山西 阳泉 045008）

山西华阳集团新能股份有限公司二矿在开采过程中需要对煤矿的开采进度、越界开采情况等进行实时监测，以提高对矿山开采进度和安全性的把控能力。该矿周边区域存在一个约153 872.4 m2的施工区域，标高在18.4～22.5 m 之间，地形情况较为复杂，目前对矿山开采进度的监测主要采用了人工利用全站仪、经纬仪等方式测绘，然后再人工标定的方法，不仅效率极低而且实时性差，难以满足对矿山开采过程中的快速、精确监测需求。

项目组提出了一种基于无人机的矿山地质测绘技术方案，通过无人机摄像技术对矿区地质进行拍照，然后利用软件自动对图像进行边界识别、变化情况对比，实现了对矿山地质变化情况的自动监测预警。根据实际应用表明，新的无人机测绘技术，能够将测绘效率提升24 倍以上。

1 无人机监测方案分析

在利用无人机对矿山地质情况进行监测时，首先要确定无人机航空摄影的范围及地面坐标点，然后根据所需要重点监测的区域设计无人机的航拍路线，确保每个区域均在航拍摄影的镜头范围内。为了提高无人机摄影监测的准确性，无人机航拍路线上的摄影镜头需要有一定的重复，保证每个点位都有5 张以上的摄影图片，保证数据分析时准确性。

由于单一的摄影镜头会存在角度偏差，无法对监测区域的地质情况进行准确判断，因此在无人机上，同时搭载了5 组摄像装置，能够从1 个垂直方向、4 个倾斜方向对监测区域进行航空测绘，通过多角度的对比分析，提高对监测区域测绘的精确性，每张测绘图片均包含了测绘高度、测绘角度等，便于在进行图片提取和分析时的精确判断。

数据分析阶段，利用图片识别数据生成DOM（文档对象模型）和DSM（数字表面模型）数据信息[1]，实现对矿区地质情况的快速判断。图1 中A、B、C、D 表示航空测量中的四个测量位置，1、2、3、4 表示被测区域的四个基准点。测量时对每个基准点均进行两次以上的定位修正，提高定位精度[2]。

图1 空三加密平差处理原理示意图

2 无人机监测系统应用流程分析

项目采用了华测P700E 无人机，搭载尼康D810 全画幅相机，镜头采用35 mm 镜头，有效像素为 3600 万。在进行航拍测绘时，根据旋翼无人机摄像装置的实际摄影清晰度，选择航拍的高度为200 m，拍摄时候的航线重叠度为65%，旁向重叠度设置为40%。航拍像控点布置时在其测点周围设置了12 组平高控制点，这些控制点设置时需要保证50 张监测照片中至少能有10 个监控点，而且同一个监控点至少需要出现两次。

2.1 测量高度选择

由于所选择的无人机像素为3600 万，测量区域的最大高差为44.6 m，为了获取较为精确的测量结果，推荐航拍高度在测量区域最大高差的4 倍左右，因此选择航拍高度为180 m。

2.2 测控点设置

为了确保在测量过程中测量重叠度超过65%，根据相机的监测范围，在区域内设置了4 个测量航线，在每个航线上设置10 个测控点，用涂上红色油漆的木桩标记，便于航拍无人机的快速对焦。

2.3 航拍时间选择

为了确保航拍照片的精确性，航拍应选择在天气良好、微风的情况下进行，避免风力干扰使航空器抖动，影响航拍成像质量，同时航拍时要避免向着太阳光飞行，减少阳光的干扰。

2.4 航拍信息解算

无人机获取监测区域数据后，利用PIX4Dmapper 建立监测区域三维模型，然后利用未参与建模控制点的模型和外界的RTK 测量坐标差值获取测量区域的三维模型相关信息，其建模流程如图2。

图2 PIX4Dmapper 建模流程示意图

在进行数学建模时，主要是根据坐标转换方程来获取监测区域的高精度三维坐标方程，航空倾斜摄影坐标方程转换方程如下[3]：

式中：f表示内方位元素；X0、Y0表示外方位坐标元素；X、Y、Z表示测量基准点坐标；XS、YS、ZS表示测点方位坐标元素。对上式变换得正交矩阵如下，a、b、c为不同位置的方位修正值[4]：

根据正交矩阵，输入各个外方位的坐标元素，将其导入到共线方程内，即可获取实际的地面三维数据，实现对测绘区域土石方情况的精确测量。

3 矿山开采监测应用

3.1 矿山开采剩余储量监测

对矿山开采量和剩余储量的监测，主要是对矿山开采情况进行实时监测，便于判断矿山的开挖量和矿山的剩余储量，防止出现超挖、超采的情况。

对矿山开采体积和剩余矿产情况的监测，主要是利用土石方开挖情况来计算的[5]。在监测时，以矿权界限为基础，通过对现阶段的DSM 数据分析，按矿区内的最大开采深度进行填挖分析。在分析中的填方体积就是矿山区域的开采体积，而剩余体积是指在矿区范围内，利用现有的DSM 数据[6]依据最大的开采深度进行填挖方分析，填挖方结果中的挖方体积就是矿山区域的剩余体积。最后再根据开采区域的矿石密度和矿石转换率，即可实现对矿区开采量和剩余量的监测，其算法流程如图3[7]。

图3 矿区开采剩余储量监测流程示意图

3.2 矿山开采越界监测

矿山的开采有严格的区域限制，当超出开采区域后不仅会严重影响周围的环境，而且还会给周围居民的生产、生活带来严重的安全隐患。因此为了维护矿山采矿权的界限范围，需要对矿山的开采区域进行严格监测，避免出现偷挖、超挖的情况。

在对矿山进行越界开采监测时，以矿山采矿权界限为基础，向外侧推移20 m 作为一个缓冲区域[8]。首先对该区域内的DSM 数据进行分析，确定区域内地质开采深度是否低于规定的最大开采高度。若该区域内存在超过最大运行开采高度的情况，则判别该处出现了越界开采；或者在缓冲区域内出现了土石方开挖情况，则同时判断该区域出现了越界开采情况。矿山区域越界开采监测流程如图4[9]。

图4 矿山开采范围内越界开采判断流程示意图

以越界开采监测为例，其总区域面积为1 613 928.6 m2，按照传统人工监测的方式，每次越界监测时，需要4 人配合，约6 h 才能完成，而采用新的基于无人机的矿山地质测绘方案后，只需要1 个人，约1 h 即可完成对监测区域的地质测绘、图像对比和数据分析。当确认可能存在越界开采的区域后，安排工作人员再进行一次现场复核即可。其整体的测绘效率是传统人工测绘效率的约24 倍，具有测绘效率高、精确度好的优点。矿山地质测绘对比结果如图5。

图5 矿山地质监测对比结果

4 结论

矿山地质测绘新技术的实际应用表明：

1）无人机测绘时，需要从1 个垂直方向、4 个倾斜方向对监测区域进行航空测绘，通过多角度的对比分析，提高对监测区域测绘的精确性；

2）新的无人机矿山地质测绘技术，能够将测绘效率提升24 倍以上，实现了矿山地质变化的自动对比分析，具有测绘效率高、精确度好的优点。