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倾斜摄影测量技术在矿产资源监测中的应用

来源:三维前沿    查看次数:    发表时间:2020-08-12 14:57:23

摘 要:随着国家绿色发展战略的提出,矿产资源开发利用需要全面监测和管理。文中提出利用无人机倾斜摄影测量技术和方法,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,分析监测露天矿山企业在该时间段内的开采量、储量、变化区域以及是否越界违法开采等。通过典型应用案例实际验证,结果表明该方法行之有效,能够方便地对矿山进行快速、准确的监测,有效地解决长期以来矿产资源开发利用与管理粗放的问题。

关键词:倾斜摄影测量;动态监测;实景三维模型;数字正射影像;DEM 叠加分析

作者:徐 坤,屈 莹,王宝山

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无人机倾斜摄影测量技术

 

1.1 无人机倾斜摄影测量技术简介

 

无人机倾斜摄影测量技术是指利用无人机平台,一般搭载5镜头倾斜相机,在机载控制软件和惯性导航系统控制下,按设计航线、航高、航向及旁向重叠度等自主飞行,获取被摄区域的多视密集影像,内业通过专业软件进行几何畸变改正(包括匀光匀色)、多视影像联合平差、多视密集影像匹配、形成超高密度点云、构建三维TIN(不规则三维三角网)和白膜及纹理映射等,生产实景三维模型、DOM、TDOM、DSM、DEM等多种产品。相比较传统测绘和普通的有人飞机航摄系统,无人机倾斜摄影测量技术能做到快速响应,有效的缩短监测和成图周期,成果种类丰富,任务设备的应用拓展能力强,不需要申请空域(非禁飞区)。目前,无人机倾斜摄影测量在应急测绘、困难地区测绘、智慧城市建设、小城镇测绘、重大工程项目测绘、不动产权籍测量等领域得到了广泛的应用。

 

1.2 倾斜摄影测量原理及关键技术

 

通过飞行平台获取正直和倾斜视角、高分辨率、顶面与侧面丰富纹理信息的多视密集影像,经过影像几何和光学畸变校正、匀光匀色预处理,融合影像、位置、姿态等信息进行空中三角测量、多视影像密集匹配、三维建模等过程,形成DSM、DOM、TDOM、DLG和实景三维模型等产品,能够还原被摄物体真实场景,量测出物体空间几何和属性信息。倾斜摄影测量需要解决以下关键技术:

 

1)数据预处理

根据相机检校文件提供的内方位元素和光学畸变校正参数,对多视密集影像进行几何、光学畸变校正,并对影像匀光匀色处理,确保影像色调、明暗、对比度一致,提高影像匹配效果。

 

2)空中三角测量

利用机载POS系统提供外方位元素初始值、相片控制点,通过构建影像金字塔,采用由粗到精的匹配策略,自动建立同名点连接,构建自由网,进行光束法区域网平差,解算出各相片的外方位元素。

 

3)多视影像密集匹配

影像匹配就是在多张相片中识别同名像点。利用倾斜摄影获取的大量冗余相片信息,通过低通滤波技术构建影像金字塔,采用SIFT、ASIFT等基于尺度、平移、旋转不变特征的算法,由粗到精等匹配策略,进行多视影像密集匹配,生成大量高密度同名点。

 

4)实景三维模型生成

通过对高密度点云抽稀,构建三维不规则TIN模型,形成被摄景物白膜,通过选择最佳影像纹理,自动纹理映射,建立实景三维模型。

 

1.3 技术特点

 

1)真实、客观、精细反映物体纹理及三维信息

与正直摄影不同,倾斜摄影除能反映被摄物体顶部纹理信息外,还能通过多视角的密集倾斜影像反映物体侧面纹理信 息。专业建模 软件自动化程度高,人工干预极少,纹理映射选择最佳纹理影像,自动纹理映射。因此,三维模型能真实、客观、精细反映物体的各面纹理信 息及三维 信息。对矿山开发监测而言,能够真实反映矿山 实际开采 情况,便于矿政管理和技术管理。

 

2)能多视角浏览和量测实景三维模型

借助于模型单体化和浏览软件,能够实现整体模型和单体模型的多视角浏览,并能在模型上量测位置、高度、长度、面积、角度、深度等 功能,为矿政管理和矿山的技术管理者实时动 态监测矿山开采情况提供有力技术支撑。

 

3)测绘产品种类多

倾斜摄影技术除 能生产真实、客 观、精 细 的 实景 三 维 模 型 外,还 能 够 生 产 DSM、DEM、DOM、TDOM、DLG 等多种产品。既能生产二维数字影像,又能生产三维实景模型;既能 生产影像数据产品,又能输出图形产品(借助 EPS软件等)。大大拓展了倾斜摄影测量技术的应用领域。

 

02

倾斜摄影测量在矿产资源监测中的应用

 

以Z省Y县某采石场监测为例。

 

1)项目需求

根据矿政管理和技术管理需求,需要对采石场开采是否越界、开采边坡是否按设计要求及评估开采安全性、储量动态变化等进行定期动态监测。

 

2)监测方案设计及技术路线

根据监测需求、公司现有技术装备、技术能力和水平,决定采用基于无人机的倾斜摄影测量技术方案进行监测。主要技术路线是通过对矿山进行倾斜摄影测量,获取矿山的实景三维模型、DOM、DEM。利用矿山界址点和开采现状DOM影像图套合,判断是否越界开采。利用开采现状DEM,估算开采边坡角。利用两期不同的DEM进行叠加分析,判断储量动态变化。以实景三维模型和DEM结合,判断和监测矿山开采状况。

 

 

03

监测成果数据分析

 

3.1 越界分析

 

采用采矿权人法定证书确定的矿区界址点(拐点)作为越界监管分析基准,利用倾斜摄影测量成果—矿山开采现状DOM影像(图1(a))与矿区界址点坐标进行套合(图1(b));各界址点附近开采现状量测坐标与法定界址点坐标对比分析,见表1。对于植被无覆盖、沙土裸露区域,判别开采剥土情况。由图1(b)和表1分析可以看出,矿区开采边缘清晰,J1号、J6号、J8号、J9号界桩点附近存在部分剥土,但总体开采范围位于界桩范围内。

 

3.2 开采边坡分析

 

露天矿山开采需要及时监测和确定开采边坡角度稳定性,评估边坡稳定性,确保矿山安全施工。根据岩体的稳定性,设计一般要求开采边坡在40°~60°间。若以断裂带作为矿山边界,其边坡角须经边坡稳定性论证后确定。传统边坡角监测和确定需要利用全站仪和GPS技术现场施测,具有一定的危险性,且受测量采样点数限制,影响边坡角度确定的完整性。根据倾斜摄影测量技术获得的数字高程模型DEM监测开采边坡角,既能保证监测开采边坡角精度,又具有很好的安全性,也可以全面监测各边坡点的角度,比传统点状监测更具有科学性和客观性。另外,利用倾斜摄影测量产品也可以监测开采平台宽度、标高等矿山开采现状。图2和表2是监测的矿山DOM、边坡角、开采宕面、开采平台宽度和标高实际状况与法定开发利用方案的比较数据。

 

由图2和表2分析,目前矿区开采现状较为规整,+151 m、+136 m、+121 m、+106 m台阶明显,但+90 m、+74 m台阶仍未规整。+151 m、+136 m、+121 m平台边坡较大,有开采坡度超60°现象。

3.3 储量变化分析

 

矿山储量和储量变化是矿山技术管理和行政管理的重要内容,是矿山开发和发展的重要决策依据,矿山管理者要随时掌握这些变化和矿山开采状况。为真实反映矿区实际开采状况和开采变化情况,可对每期DOM、实景三维模型对比分析,见图3。或对各期DOM、实景三维模型进行叠加分析,可直观看出开采变化情况。当然,借助相应软件可在DOM、实景三维模型上进行变化位置、面积、深度、长度等要素量测。

 

利用DEM和探矿地质钻孔数据可计算矿产资源储量。采用两次DEM叠加分析比较的方法,可以计算出开采量、储量变化等参数,见图4。本文利用DEM叠加法对某采石场2018—2019年开采量分析统计见表3,采用传统方格网法和断面法进行核算和检核,符合《地质矿产勘查测量规范》精度要求。

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DLG精度分析

 

对倾斜摄影测量产品1∶1 000比例尺线划图DLG采用全站仪进行野外设站散点检查(开采和剥离范围内地物和地貌)。平面检查点121点,高程检查点105点。通过检查和统计计算得知,检查点平面中误差为±5.2 cm,高程中误差为±6.0 cm,项目完全满足设计和规范要求。
 


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