投稿单位：
湖北省国土测绘院
武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室
投稿人：
龚元夫 谢菲
孟鹏燕 林昱
2018年11月25日
摘 要：传统的矿山无证开采调查一般采用常规测量，工作量大，工作效率低。本文介绍了一种采用低空倾斜摄影技术开展矿山无证开采调查的方法，通过对调查区域进行无人机倾斜摄影航拍和高精度三维建模，计算采矿前后时期的地表变化差异，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，从而计算矿山无证开采的矿产资源储量，工作效率能够显著提升，对于矿山无证开采调查实施具有一定的可操作性及参考意义。
关键词：倾斜摄影；高精度三维建模；矿山调查
Application of low-altitude oblique photography in unlicensed mining survey of mines
Gong Yuan-fu 1,2,Xie Fei1, Meng Peng-yan 1, Lin Yu 1
(1. Land surveying and Mapping Institute of Hubei Province, Wuhan 430010; 2. Wuhan University, State Key Laboratory of information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan 430010)
Abstract: The traditional unlicensed mining survey of mines generally adopts the conventional measurement method, which has a large workload and low work efficiency.This paper introduces a method of low-altitude oblique photography technique to conduct unlicensed mining survey in mines. Through unmanned oblique photography and high-precision three-dimensional modeling of unlicensed mining areas in mines, the differences in surface changes before and after mining are calculated to obtain the mineral resources of unlicensed mining in mines.Then the lithology identification and density test of the rock samples in the mining area are carried out to calculate the mineral resource reserves of the unlicensed mining of the mine, work efficiency can be significantly improved. It has certain operability and reference significance for the implementation of the unlicensed mining investigation of the mine.
Key words: oblique photography; high-precision three-dimensional modeling; mine survey
1 项目背景
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
调查区的倾斜影像数据、对应的POS数据以及控制点数据后采用ContextCapture软件完成空三、实景三维模型建立和DSM、DOM的生成，其中，空三加密、建立实景三维模型等操作均可待数码倾斜影像导入软件后由软件自动解算完成，通过多视影像联合平差技术进行倾斜影像区域网平差，并通过带准确控制点信息的区域网平差达到所需的精度。
调查区的绝对定向后空三精度报告如表3至6所示：
表3 调查区绝对定向空三报告（控制点）
表4 调查区绝对定向空三报告（连接点）
| 点数 | 每点照片中位数 | 每张照片点中位数 | 光束距离均方根（米） |
| 409746 | 4 | 1917 | 0.076 |
经过控制网平差优化后，矿山无证开采调查的测区误差均符合精度要求。
5 总结与展望
基于低空倾斜摄影技术开展的矿山无证开采调查，能够准确查明调查区内无证开采矿产资源的规模及分布特征，计算无证开采的的矿产资源方量和储量，解决了传统调查工作方式时间长、几何精度低等问题，工作量大大减少，工作效率显著提高。
与传统调查工作方式相比，低空倾斜摄影测量技术在矿业领域应用具有明显的优势，该技术采用无人机作为飞行器，具有良好的机动性、灵活性和安全性，无需专用机场起降，适合地形复杂以及南方丘陵、多云地区应用，能够在危险和恶劣环境下直接获取现场资料和数据；该技术可构建高精度数字地面模型及制作三维立体景观图，可低空多角度获取矿区内损毁土地的纹理信息，弥补了普通航空摄影中的遮挡问题；性能优异、低成本，传感器和飞行器使用成本远远低于其他航摄系统，一般单位和个人有能力负担，对数据处理设备要求不高，费用低。随着软、硬件的不断成熟，该技术将越来越广泛应用于矿业领域。
