龚元夫1,2，谢菲1，孟鹏燕1，林昱1
（1. 湖北省国土测绘院，武汉 430010；2.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430010）
1 引言
传统的矿山无证开采调查一般采用野外实测的方法，对无证开采的区域进行实地测量，该方法工作量大、时间长，需要耗费较多的人力和物力，且不能很好地估算被非法开采的矿石资源方量，因此工作效率往往会很低。
作为国际测绘领域一项高新技术，倾斜摄影测量技术(oblique photography technique)因其能快速、高效获取客观丰富的地面数据信息，近年来在信息化测绘领域进行了诸多探索。该技术颠覆了以往航摄只能从垂直角度拍摄的局限，通过搭载多台传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集影像，获得具有较高分辨率、较大视场角、更详细的地物信息数据。在拍摄相片的同时，机载传感器记录航高、航向、坐标和飞行姿态等参数，嵌入地理信息、影像信息，使影像数据真实地反映地物情况，并能通过调整航摄分辨率，达到满足要求的精度。
矿山无证开采调查在获取数据的过程中就很受益于低空倾斜摄影测量这一全新的技术。目前该技术在许多矿山监测和调查中都得以应用，在不远的将来无人机倾斜摄影测量对于矿业领域而言或许就是必不可少的一项配置了。
2 技术路线
调查工作采用低空倾斜摄影测量技术，对矿山无证开采区域进行实地航飞和三维建模，生成高精度三维模型及对应的DOM和DSM，并制作数字高程模型DEM。在此基础上运用挖填方操作原理计算采矿前后两期DEM之间的地表变化差异，从而获取矿山无证开采的矿产资源方量，再对矿区岩石样本进行岩性鉴定和密度检验，确定矿石类别和密度，从而估算出矿山无证开采的矿产资源价值。整体技术路线如下图所示。
高精度三维建模
像控布设与测量
矿山无证开采前后DEM比较
矿山无证开采资源方量计算
无人机倾斜影像获取
资料收集和准备
矿区岩石样本获取
岩石样本岩性鉴定
岩石样本密度检验
矿产无证开采资源储量计算
项目检查验收
项目成果整理与提交
是
图1 低空倾斜摄影开展矿山无证开采调查的技术路线
3 实际作业流程
矿山无证开采调查采用低空倾斜摄影测量的方法构建矿山无证开采区域的三维模型，并生成对应的DOM及DSM，以便于后续分析工作的展开。
3.1 资料收集和准备
在外业作业前，首先要收集测区资料，包括控制点成果、坐标系统和高程基准参数、已有的地形图成果与地名资料等，制定无人机航飞技术方案并申请空域，明确无人机搭载的传感器、地面分辨率、影像重叠度、飞行航高航带架次数、影像拍摄间隔等问题。外业工作人员按逐航带或测区面积布设像控点，然后依照技术方案的安排，用无人机搭载多传感器从不同角度采集地形数据。调查采用固定翼无人机获取倾斜影像数据和POS数据。
3.2 低空倾斜摄影数据采集
1. 硬件设备选型
调查采用固定翼电动型无人机F200进行航飞，其平台参数如下表所示：
表1 无人机航摄平台
| 无人机型号 | 飞马F200 |
| 图片 |  |
| 特点 | 小型无遥控电动 |
| 发动机 | 无刷电机 |
| 传感器 | SONY QX1*2 |
| 翼展 | 1.9m |
| 载荷 | 1kg |
| 续航时间 | 1h |
| 巡航速度 | 60 km/h |
| 升限 | 6000m |
| 通信距离 | 10km |
| 起飞方式 | 手抛 |
| 降落方式 | 伞降/滑降 |
| 搭载差分 | 飞马GPS |
采用的是SONY QX1*2型系列倾斜摄影传感器，相机参数设置如下：
表2 航摄相机参数
| 航摄相机 | SONY QX1*2 |
| 图片 |  |
| 像幅大小 | 23.2mm*15.4mm |
| 有效像素 | 5456*3632 |
| 镜头焦距 | 20mm |
| 曝光时间 | 1/1600秒 |
| 光圈值 | f/5.6 |
| ISO速度 | ISO-250 |
2. 影像获取
调查获取矿山无证开采区域的影像数据，依照外业航空摄影测量规范及调查需求设计航飞范围和路线。按照技术要求，获取4cm分辨率倾斜影像数据，其航线设计如图2所示：
图2调查区的航线设计
最终矿山无证开采调查区域获取倾斜影像共992张，将影像POS数据统一转成西安1980坐标系，采用高斯三度带投影方法获取平面坐标数据，高程基准统一采用85国家高程。
3. 控制点测量
为使三维模型数据满足精度要求，需在测区范围内布设一定数量的控制点，其坐标系统与POS数据保持统一。
3.3 高精度三维模型构建
将影像数据、POS数据以及控制点数据导入ContextCapture软件中进行三维模型构建，分别经过自由网平差、刺点、带准确控制点信息的区域网平差，最后进行三维模型重构，生成三维模型数据以及对应的DOM、DSM，其中空三加密、平差优化以及模型构建均由软件自动处理。经过控制网平差优化后，矿山无证开采测区的误差符合精度要求。
最终生成的三维模型数据如图3所示：
图3 调查区的三维模型
3.4 调查区无证开采矿产资源方量计算
基于倾斜摄影测量获取的高精度三维模型（采样间隔0.04米，高程精度约0.15米），利用EPS地理信息工作平台，测量被无证开采矿山的开采边界线，采集矿产资源开采范围，如图4为基于高精度三维模型测量被无证开采矿山的开采边界线的示意图。
图4 基于高精度三维模型获取无证开采矿产资源范围示意图
沿矿产资源开采边界的陡坎，利用EPS平台获取了调查区矿产资源被无证开采的范围，如图5所示，为调查区矿产资源被无证开采的范围。
图5 无证开采矿产资源范围示意图
由于未收集到2016年数字高程模型（采矿前时间节点为2016年），仅收集2016年调查区1:2000比例尺地形图，而根据挖填方工具数据输入要求，需要获取前后两期DEM进行运算。因此，需要将地形图转换成DEM。
图6 基于地形图构建三角格网
利用ARCGIS空间分析工具集，首先提取调查区地形图的等高线和高程，并为两要素文件赋高程属性；其次，根据高程属性将两要素文件转为3D要素，将3D要素通过创建TIN方式构建调查区三角格网，如图6所示，最后，采用数字模型转换模拟的方法自然邻域插值法，将三角格网转换成所需DEM，如图7所示调查区采矿前DEM。
图7 调查区矿产资源被无证开采前山体DEM
调查区采矿后DEM是于2018面10月4日实地航飞测量，并经过后期建模获取所得，如图8为调查区矿产资源被无证开采后山体DEM。
图8 调查区矿产资源被无证开采后山体DEM
由于岩石经过长期风化或搬运堆积，在岩石的表层会形成一定厚度的风化物、残积物、坡积物等松散堆积物，而这些松散堆积物对于计算实际开采岩石方量的计算有一定的影响。
岩石表层松散堆积物厚度主要通过实地采样测量取平均方式获得。由于矿石开采，采坑剖面可直观观测岩石表层松散堆积情况，通过测量采坑周围6个样本点位岩石表层松散堆积物剖面厚度，获取了岩石表层松散堆积物的厚度，分别为：3.01、2.90、2.95、2.82、2.92、2.98（米），经估算，其平均厚度为2.93米。后续在进行矿石开采方量估算时应予以扣除。
通过空间分析综合运算方式去除岩石表层松散堆积物厚度影响，然后利用挖填方工具通过计算采矿前后两期DEM之间地表变化差异，获取调查区矿产资源被无证开采方量。
通过设置参考剖面可直观查看采矿前后矿产资源被无证开采的变化情况，如图9和图10所示。
图9 所设置参考剖面线位置
图10 采矿前/后调查区山体DEM剖面变化情况
根据挖填方计算结果，最终获取矿山调查区被无证开采矿产资源储量，如图11中蓝色部分所示，图中红色部分为开采过程中堆积的碎石土。
图11 调查区无证开采矿产资源情况
3.5 岩性鉴定和密度检验
调查中实地获取了调查区5个分散点位的矿石样本，并送湖北省地质实验测试中心进行岩性鉴定，经试验分析，最终确定调查区矿石类别为灰质白云岩。与此同时，对5个矿石样本岩石物理性质进行了实验测试，根据调查取样试验测试报告，5块矿石样本矿石体重分别为2.65、2.57、2.63、2.54、2.61（t/m3），最终取矿石平均体重D=2.6 t/m3。
3.6 调查区无证开采矿产资源储量计算
根据矿石平均体重和计算所得矿石资源方量，即可计算得到调查区自2016年8月至2018年9月被无证开采的建筑用含灰质白云岩资源储量矿石量。
4 精度分析与评价
本次调查要求，航摄需满足工程摄影测量规范中1:1000丘陵地的精度要求，被无证开采矿石量估算值偏差不得超过实际储量值的5%。根据工程摄影测量规范，平面地物点中误差和高程注记点精度要求见表3。
表3平面地物点中误差和高程注记点精度要求
| 地形类别 | 图上地物点的平面位置中误差/mm | 高程注记点中误差/m |
| 丘陵地 | 0.6 | 1/2Hd |
实地选取了调查区内均匀分布的30个检查点评定数学精度，基本等高距为1m，平面和高程误差统计见表4。
表4 地物检查点平面和高程误差统计
| 检查点 | △X | △Y | △H | △S² |
| JC001 | 0.091 | 0.280 | 0.191 | 0.087 |
| JC002 | -0.016 | 0.288 | 0.167 | 0.083 |
| JC003 | 0.088 | -0.173 | -0.211 | 0.038 |
| JC004 | -0.210 | -0.220 | -0.188 | 0.093 |
| JC005 | -0.055 | -0.310 | -0.178 | 0.099 |
| JC006 | -0.207 | -0.135 | -0.172 | 0.061 |
| JC007 | 0.030 | 0.303 | 0.191 | 0.093 |
| JC008 | 0.209 | -0.054 | -0.192 | 0.047 |
| JC009 | -0.106 | -0.260 | 0.233 | 0.079 |
| JC010 | -0.253 | 0.090 | 0.185 | 0.072 |
| JC011 | 0.255 | 0.110 | -0.200 | 0.077 |
| JC012 | -0.247 | -0.118 | 0.171 | 0.075 |
| JC013 | 0.048 | -0.344 | -0.173 | 0.121 |
| JC014 | 0.097 | 0.218 | 0.208 | 0.057 |
| JC015 | 0.235 | 0.077 | 0.175 | 0.061 |
| JC016 | 0.309 | 0.038 | -0.169 | 0.097 |
| JC017 | 0.193 | 0.220 | 0.208 | 0.086 |
| JC018 | -0.240 | 0.181 | 0.220 | 0.090 |
| JC019 | -0.279 | 0.115 | 0.243 | 0.091 |
| JC020 | 0.196 | 0.167 | -0.220 | 0.067 |
| JC021 | 0.124 | 0.295 | -0.248 | 0.102 |
| JC022 | 0.242 | 0.186 | 0.210 | 0.093 |
| JC023 | -0.289 | 0.061 | -0.212 | 0.087 |
| JC024 | 0.102 | 0.321 | 0.241 | 0.114 |
| JC025 | 0.244 | -0.180 | -0.224 | 0.092 |
| JC026 | -0.088 | -0.228 | -0.193 | 0.060 |
| JC027 | -0.032 | 0.324 | -0.204 | 0.106 |
| JC028 | 0.217 | -0.132 | 0.207 | 0.065 |
| JC029 | 0.148 | 0.228 | 0.255 | 0.074 |
| JC030 | 0.056 | 0.245 | -0.243 | 0.063 |
计算如下
平面中误差在图上距离为0.284mm，小于图上0.6mm；高程中误差小于0.5m（1/2基本等高距），被无证开采的建筑用含灰质白云岩资源储量矿石量估算值偏差为实际储量值的2.34%。由此可见，利用低空倾斜摄影技术开展矿山无证开采调查符合工程摄影测量规范中对基本精度的要求，保证了成果数学精度，综合该方法省时高效的特点，适合小区域快速开展矿山无证开采调查。
5 总结与展望
本文提出利用低空倾斜摄影测量技术开展矿山无证开采调查，试验证明成果精度达到了工程摄影测量规范要求和矿石资源储量估算精度要求。与传统调查工作方式相比，测量时间减少1/3以上，人员减少2/3。特别是外业采集数据阶段，传统调查方式需要根据调查区面积大小配备相应数量的调查人员，采用低空倾斜摄影方法只需3~4人，降低了调查成本，特别适用于小区域快速开展矿山无证开采调查。
目前，该方法还存在无人机飞行作业受天气影响较大、需进行差分POS保证精度、提取无证开采矿山的开采界线过程非自动化等问题，未来相关硬件软件难题的深入研究将为推广低空倾斜摄影开展矿山无证开采调查的应用提供条件。
投稿单位：湖北省国土测绘院
投稿日期：2018年11月18日
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