周呂， 李青遜， 權(quán)菲， 何永紅， 陳宣羽， 李昕， 韋幫定

(1. 桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院， 桂林 541004； 2. 桂林理工大學(xué)廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 桂林 541004； 3. 湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院， 永州 425199； 4. 廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心， 南寧 530028； 5. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054)

目前，露天礦山的開(kāi)發(fā)存在多地區(qū)小規(guī)模、管理監(jiān)測(cè)手段落后和缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持等問(wèn)題，針對(duì)此類管理問(wèn)題，一種基于高新技術(shù)手段的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量管理制度應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。其依據(jù)統(tǒng)一規(guī)定的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和要求，定期對(duì)礦區(qū)的資源占用量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、核算和管理，主要目的是監(jiān)測(cè)正在開(kāi)采的礦區(qū)資源變化，實(shí)時(shí)了解其資源儲(chǔ)量變化因素，對(duì)礦產(chǎn)資源的合理保護(hù)與開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)資源的最有效利用。此外，礦區(qū)儲(chǔ)量管理對(duì)象是在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)階段的開(kāi)采量和資源儲(chǔ)量，對(duì)二者的監(jiān)測(cè)管理是礦政管理的重要組成部分[3]。礦區(qū)的資源儲(chǔ)量作為露天礦生產(chǎn)和管理的基礎(chǔ)組成部分，利用測(cè)繪技術(shù)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)、快速地掌握礦山開(kāi)采、盈利和資源儲(chǔ)量狀況重要手段。

當(dāng)前，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法主要有全球定位系統(tǒng)-實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(global positioning system-real time kinematic，GPS-RTK)結(jié)合全站儀測(cè)量系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)、遙感(remote sensing，RS)技術(shù)和數(shù)字化三維模型儲(chǔ)量計(jì)算4種方法。

(1)GPS-RTK結(jié)合全站儀測(cè)量系統(tǒng)。此技術(shù)通過(guò)測(cè)定礦山界址點(diǎn)的具體位置，綜合考慮礦山的具體形狀采用等高線法、開(kāi)采塊段法和斷面法對(duì)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量進(jìn)行估算分析，此方法作業(yè)精度高，但內(nèi)業(yè)處理繁雜，易受地形因素影響，存在成本投入高、缺乏安全保障和效率低等難以彌補(bǔ)的劣勢(shì)[4]。

(2)三維激光掃描技術(shù)。其通過(guò)大面積的激光掃描獲取地表三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理可快速建立地表三維模型。但由于其大面積獲取地表數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)量較大而引起數(shù)據(jù)冗余。

(3)RS技術(shù)。該技術(shù)基于遙感影像提取礦區(qū)信息用于礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。遙感圖像所帶來(lái)全面性在礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方面有著不可替代的作用，但由于遙感影像成本較高、影像精度較低和時(shí)效性較差等，目前該技術(shù)在礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè)應(yīng)用較少。

(4)數(shù)字化三維模型儲(chǔ)量計(jì)算。其一般基于數(shù)據(jù)庫(kù)，采用數(shù)字化、可視化等空間信息技術(shù)完成礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)[5]，伴隨的無(wú)人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要通過(guò)無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，搭載多個(gè)傳感器獲取研究區(qū)域傾斜影像，進(jìn)而建立礦區(qū)三維模型、生成數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)和數(shù)字表面模型(digital surface model， DSM)，經(jīng)過(guò)空間分析計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量，最終得出礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量[6]。

礦山的開(kāi)發(fā)通常伴隨著地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣等情況，傳統(tǒng)的GPS-RTK結(jié)合全站儀測(cè)量系統(tǒng)難以在此類環(huán)境下完成監(jiān)測(cè)，而三維激光掃描技術(shù)和RS技術(shù)由于其自身的限制因素，在實(shí)際的項(xiàng)目中難以得到有效的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)技術(shù)依據(jù)其低成本、靈活和效率高等優(yōu)點(diǎn)，可克服礦區(qū)開(kāi)采的各類復(fù)雜環(huán)境，且可以非接觸的手段高精度地構(gòu)建礦區(qū)三維模型并生產(chǎn)DSM，為數(shù)字化三維模型儲(chǔ)量計(jì)算提供新的應(yīng)用前景。

基于礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)的必要性，綜合考慮各儲(chǔ)量估算方法的優(yōu)劣性，現(xiàn)以廣西東興市江平鎮(zhèn)和馬路鎮(zhèn)兩處露天礦作為研究區(qū)域，采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，以數(shù)字化三維模型儲(chǔ)量計(jì)算方法為主要研究方法，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。首先分別獲取馬路鎮(zhèn)1 070張和江平鎮(zhèn)918張無(wú)人機(jī)影像作為數(shù)據(jù)源；其次借助Context Capture無(wú)人機(jī)專業(yè)軟件處理影像，分別獲得兩處露天礦區(qū)三維模型和DSM，對(duì)精度符合規(guī)范要求的三維模型利用Context Capture Viewer進(jìn)行下一步的礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算，對(duì)DSM利用ArcGIS提取高程點(diǎn)，采用數(shù)字地面模型(digital terrain model，DTM)法進(jìn)行礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算，最后對(duì)兩種方法所獲得的結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比分析為礦政管理和礦產(chǎn)資源的有效開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影是基于傳統(tǒng)傾斜攝影的基本原理，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、影像密集匹配和特征提取等技術(shù)構(gòu)建研究區(qū)域三維模型等成果[7]。其由無(wú)人機(jī)為主體的航測(cè)系統(tǒng)搭載高空拍攝、遙控遙測(cè)、視頻影像微波傳輸?shù)炔煌问脚c功能的傳感器組成[8]，目前大多數(shù)搭載垂直正攝、前視、后視、左視、右視5個(gè)方位的航測(cè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。航測(cè)系統(tǒng)按照所設(shè)定的航線，依據(jù)不同傾斜角度的航攝像機(jī)獲取研究區(qū)域地表地物完整的位置和姿態(tài)信息，同時(shí)根據(jù)GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)記錄影像的POS信息。航向重疊和旁向重疊達(dá)到66.7%以上、POS信息完整的情況下便可借助無(wú)人機(jī)專業(yè)處理軟件進(jìn)行處理分析[9]，構(gòu)建實(shí)景三維模型、DSM等成果，可直接提取研究區(qū)域地表信息，結(jié)合外業(yè)測(cè)量的地表數(shù)據(jù)，合理地控制誤差以便用于實(shí)際的生產(chǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)多視影像聯(lián)合平差。多視影像聯(lián)合平差是基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所獲取的多視角影像所提出的一種平差方法，通過(guò)此技術(shù)最終解算每張影像的外方位元素以及加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)。通過(guò)航測(cè)系統(tǒng)獲取的傾斜影像，解決了由于相機(jī)傾角問(wèn)題存在的遮擋、尺度變形和幾何變形等問(wèn)題，如另一張影像上不存在同名點(diǎn)或者一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)點(diǎn)等[10-11]，極大地減少了影像盲區(qū)特征構(gòu)建。

(2)多視影像密集匹配。作為傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的核心問(wèn)題之一，多視影像密集匹配技術(shù)以多視影像聯(lián)合平差得到的精確的外方位元素等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行影像密集匹配，其所提取特征點(diǎn)的綜合平差結(jié)果將直接影響空中三角測(cè)量精度[12]。當(dāng)前通常會(huì)采用多基元等技術(shù)，盡可能地利用多幅影像上的冗余信息進(jìn)行多視影像密集匹配，避免遮擋對(duì)影像密集匹配的影響，糾正錯(cuò)誤匹配信息；同時(shí)采用并行算法來(lái)提高運(yùn)算速度，以此來(lái)獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)。

(3)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)與地物紋理映射。理論上，每一個(gè)地物都可以通過(guò)三角網(wǎng)來(lái)構(gòu)建其模型，三角網(wǎng)中三角形的大小、密集程度與影像的重疊度、地物復(fù)雜程度相關(guān)，重疊度越高，生成的三角網(wǎng)越復(fù)雜越密集；反之則簡(jiǎn)單稀疏。地物越復(fù)雜，則需要越復(fù)雜越密集的三角網(wǎng)來(lái)構(gòu)建。目前主要利用多視影像密集匹配所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生產(chǎn)時(shí)三角網(wǎng)格的內(nèi)部規(guī)格需要調(diào)整為相同的分辨率，以更好地匹配影像的數(shù)據(jù)，同時(shí)需優(yōu)化地物簡(jiǎn)單區(qū)域，以減少不必要的數(shù)據(jù)，提高三維建模的效率，最后生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型矢量架構(gòu)[13]，最后將影像上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色值或灰度值等紋理信息映射到三維模型表面，得到符合真實(shí)色彩視覺(jué)效果的三維模型。

1.2 技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的技術(shù)流程主要分為采集數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)處理構(gòu)建三維模型和礦區(qū)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)4個(gè)部分。

(1)采集數(shù)據(jù)源主要分為采集研究區(qū)域無(wú)人機(jī)傾斜影像和地面像控點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)整理包括無(wú)人機(jī)影像和POS數(shù)據(jù)的整理。外業(yè)作業(yè)結(jié)束時(shí)，需及時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)源并檢查影像和POS的完整性。

(3)數(shù)據(jù)處理由空中三角測(cè)量、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、紋理映射等組成，最后生產(chǎn)DSM、三維模型等產(chǎn)品。

(4)礦區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要由ArcGIS基于DSM提取高程點(diǎn)和采用Context Capture Viewer基于三維模型自定義標(biāo)高進(jìn)行礦區(qū)的礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算，如圖1所示。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源獲取

2.1 研究區(qū)概況

選取了廣西東興江平鎮(zhèn)(簡(jiǎn)稱江平礦)和馬路鎮(zhèn)(簡(jiǎn)稱馬路礦)兩處露天礦區(qū)作為研究區(qū)域，采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取研究區(qū)域數(shù)據(jù)源生產(chǎn)礦區(qū)三維模型、DSM等成果，進(jìn)行礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量估算。

2.1.1 江平礦

江平礦位于江平江以南1 000 m左右，礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)：108°05′18″～108°05′36″，北緯：21°37′55″～21°38′12″；礦區(qū)屬于露天開(kāi)采，礦區(qū)總面積約為124 797 m2，礦區(qū)總范圍周長(zhǎng)約為1 200 m；礦區(qū)資源分布均勻，地貌簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算礦區(qū)地表體積變化進(jìn)行礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量估算。

2.1.2 馬路礦

馬路礦位于馬路鎮(zhèn)以南750 m左右，礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)：107°56′58″～107°57′08″，北緯：21°39′29″～21°39′34″；礦區(qū)屬于露天開(kāi)采，礦區(qū)總面積約為43 048 m2，總范圍周長(zhǎng)約為727 m；礦產(chǎn)資源在該區(qū)域分布均勻，地貌簡(jiǎn)單適宜采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)計(jì)算其地表體積變化從而估算其儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化。

2.2 數(shù)據(jù)源獲取

數(shù)據(jù)源的獲取分為無(wú)人機(jī)平臺(tái)采集影像和GPS-RTK量測(cè)地面像控點(diǎn)兩方面工作。前者獲取自帶坐標(biāo)信息的影像用于后續(xù)生產(chǎn)DSM、三維模型等相關(guān)產(chǎn)品，后者獲取地面像控的三維點(diǎn)位信息用于數(shù)據(jù)處理的空中三角測(cè)量，提高空中三角測(cè)量通過(guò)率的同時(shí)可以提高模型精度。外業(yè)工作依據(jù)預(yù)設(shè)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)源采集，根據(jù)數(shù)據(jù)成果對(duì)地面分辨率的要求確定航高，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)源采集的航線規(guī)劃設(shè)計(jì)等任務(wù)。其中，相對(duì)航高計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：H為飛行相對(duì)航高；GSD為地面分辨率；a為像元大??；f為傳感器焦距。由于模型精度與GSD存在反比關(guān)系，而根據(jù)式(1)可知，GSD越大則航高越高，從而可以得到航高越低所獲得的模型精度越高[10]。

綜合飛行所需時(shí)間、研究區(qū)域地表起伏和設(shè)計(jì)規(guī)范，借助大疆無(wú)人機(jī)獲取分辨率范圍為0.7～9.1 cm的江平礦影像和分辨率范圍為1.0～7.4 cm的馬路礦影像；此外采用GPS-RTK對(duì)研究區(qū)域采集像控點(diǎn)數(shù)據(jù)；精度要求為：點(diǎn)位誤差±3.0 cm，高程中誤差±5.0 cm，獲取江平礦和馬路礦像控點(diǎn)的點(diǎn)位位置如圖2所示。基于上述，對(duì)江平礦獲取918張傾斜影像和5個(gè)地面像控點(diǎn)；對(duì)馬路礦獲取1 070張傾斜影像和4個(gè)地面像控點(diǎn)作為數(shù)據(jù)源。

圖2 像控點(diǎn)位置圖Fig.2 Location diagram of image control points

3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵在于能否準(zhǔn)確表達(dá)礦區(qū)的儲(chǔ)量與開(kāi)采量，而無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)源的處理主要目的為得到礦區(qū)DSM、三維模型等成果[14]。選取自動(dòng)化程度較高、無(wú)需人工干預(yù)，并且能高精度和高效率地生產(chǎn)相應(yīng)成果的Context Capture無(wú)人機(jī)專業(yè)處理軟件作為數(shù)據(jù)處理工具，基于同一服務(wù)器生產(chǎn)江平礦和馬路礦DSM、三維模型等成果。此外， 采用Context Capture Viewer作為三維模型預(yù)覽工具和計(jì)算載體，計(jì)算研究區(qū)域資源儲(chǔ)量變化，相關(guān)研究表明方格網(wǎng)大小為4.5 m和5.0 m時(shí)，所計(jì)算得出的礦產(chǎn)儲(chǔ)量誤差最小[15]； 采用ArcGIS基于DSM，經(jīng)過(guò)重采樣、柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)、導(dǎo)出高程點(diǎn)，最后使用南方CASS進(jìn)行DTM礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算。綜上所述，基于江平礦和馬路礦三維模型和DSM，結(jié)合精度分析結(jié)果，采用Context Capture Viewer計(jì)算礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量和ArcGIS提取高程點(diǎn)計(jì)算礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量?jī)煞N方法計(jì)算二者地表礦產(chǎn)儲(chǔ)量變化，最后得出研究區(qū)域的儲(chǔ)量變化。

3.1.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理新建工程之后，選擇導(dǎo)入整個(gè)影像所在文件夾目錄，檢查影像是否能全部打開(kāi)，為下一步的空中三角測(cè)量做準(zhǔn)備。

3.1.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量主要目的是確定影像之間的相對(duì)位置關(guān)系并生成地面加密點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)空中三角測(cè)量。其中自動(dòng)指的是軟件在空中三角測(cè)量時(shí)自動(dòng)計(jì)算影像之間的相對(duì)位置并生成地面加密點(diǎn)；手動(dòng)指的是需要進(jìn)行像控點(diǎn)的刺點(diǎn)操作，以提高空中三角測(cè)量的精度和通過(guò)率。

對(duì)江平礦和馬路礦分別進(jìn)行空中三角測(cè)量，在第一次空中三角測(cè)量之后，軟件可計(jì)算影像的位置信息，便于下一步的刺點(diǎn)工作；利用影像的位置信息可進(jìn)行精細(xì)刺點(diǎn)并提交第二次空中三角測(cè)量[16]?？罩腥菧y(cè)量結(jié)束后，需在3D視圖中檢查加密點(diǎn)的位置是否出現(xiàn)偏移、影像位置是否分層和結(jié)果有無(wú)錯(cuò)亂等情況。經(jīng)檢查，江平礦和馬路礦的空中三角測(cè)量中影像均參與重建并且影像信息完整，結(jié)果符合原始地形地貌情況，且未出現(xiàn)錯(cuò)亂分層等情況，基于上述結(jié)果，可進(jìn)行下一步的三維重建、DSM生產(chǎn)等操作。

3.1.3 生產(chǎn)數(shù)字產(chǎn)品

經(jīng)空中三角測(cè)量生成地面加密點(diǎn)之后，即可構(gòu)建礦區(qū)的實(shí)景三維模型。Context Capture在此過(guò)程中首先會(huì)根據(jù)空中三角測(cè)量結(jié)果對(duì)地面加密點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算得到不規(guī)則的三角網(wǎng)，進(jìn)而生成初步無(wú)紋理信息的三維三角網(wǎng)表面模型，然后通過(guò)無(wú)人機(jī)影像中的紋理信息映射于無(wú)紋理信息的三維三角網(wǎng)表面模型，最后生成高可視化的實(shí)景三維模型。根據(jù)礦區(qū)地形地貌結(jié)合服務(wù)器性能將江平礦和馬路礦分為若干個(gè)瓦片進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)Context Capture自動(dòng)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行紋理映射之后，分別得到江平礦和馬路礦高精度DSM、真實(shí)視覺(jué)效果的三維模型，如圖3所示。

圖3 三維模型圖Fig.3 3D model diagram

3.2 成果精度評(píng)價(jià)

基于江平礦和馬路礦的DSM、實(shí)景三維模型，采用GPS-RTK實(shí)測(cè)像控點(diǎn)坐標(biāo)近似作為精度評(píng)價(jià)的真值，與此次成果中的像控點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比求差，最后

計(jì)算中誤差對(duì)此次的數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。誤差公式為

(2)

(3)

(4)

式中：n為像控點(diǎn)個(gè)數(shù)；mx為x方向的中誤差；my為y方向的中誤差；m為平面中誤差；Δx和Δy分別為x方向的真誤差和y方向的真誤差。其中式(2)和式(3)利用所有像控點(diǎn)的真誤差進(jìn)行平方求和計(jì)算，最終可代表此次像控點(diǎn)精度可靠性。至此，分別選取江平礦5個(gè)像控點(diǎn)和馬路礦4個(gè)像控點(diǎn)作為精度評(píng)價(jià)檢查點(diǎn)，利用中誤差的特性，可得如表1所示的三維模型檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)。

基于表1檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合中誤差的特性分析江平礦和馬路礦平面精度、高程精度。江平礦精度分析結(jié)果：x方向最大誤差為2.3 cm，中誤差為1.8 cm；y方向最大誤差為1.9 cm，中誤差為1.3 cm；平面最大誤差為3.0 cm，最小誤差為0.2 cm，中誤差為2.2 cm；z方向最大誤差為3.3 cm，中誤差為3.0 cm。

馬路礦精度分析結(jié)果：x方向最大誤差為2.1 cm，中誤差為2.1 cm；y方向最大誤差為1.6 cm，中誤差為1.3 cm；平面最大誤差為2.4 cm，最小誤差為1.9 cm，中誤差為2.5 cm；z方向最大誤差為3.7 cm，中誤差為3.5 cm。至此表明，江平礦與馬路礦所生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品完全符合規(guī)范要求，可用于礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算。

4 礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算與分析

4.1 Context Capture Viewer礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算

經(jīng)數(shù)據(jù)處理與精度評(píng)價(jià)獲取江平礦和馬路礦的三維模型，基于此結(jié)果采用Context Capture Viewer選取研究區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。由于礦區(qū)處于開(kāi)采中，礦產(chǎn)動(dòng)用儲(chǔ)量所計(jì)算的凈填方量即為動(dòng)用儲(chǔ)量。

表1 三維模型檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)Table 1 3D model checkpoint accuracy statistics

選取江平礦和馬路礦已開(kāi)采范圍周長(zhǎng)分別為1 200.8 m和727.4 m，平場(chǎng)面積分別為95 605.9 m2、37 467.0 m2，分別設(shè)定自定義標(biāo)高75.0 m和105.0 m，采樣距離均為5.0 m，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。通過(guò)計(jì)算可知江平礦和馬路礦測(cè)區(qū)填方量分別為2 215 342.1 m3和927 026.7 m3，挖方量分別為824 898.0 m3和69 715.8 m3，此時(shí)可得凈填方量分別為1 390 444.1 m3和857 310.9 m3，即以此方法計(jì)算江平礦和馬路礦的開(kāi)采量分別為1 390 444.1 m3和857 310.9 m3。

圖4 礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算圖Fig.4 Calculation diagram of working reserves in mining area

4.2 DTM礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算

基于3.2節(jié)的精度評(píng)價(jià)與分析，對(duì)研究區(qū)域所進(jìn)行生產(chǎn)的DSM精度符合規(guī)范要求，以此提取高程點(diǎn)用于礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量的估算符合規(guī)范要求。首先通過(guò)ArcGIS的數(shù)據(jù)管理工具對(duì)所生產(chǎn)的DSM進(jìn)行重采樣設(shè)置高程點(diǎn)密度為：x方向8.9 m，y方向8.3 m；其次利用轉(zhuǎn)換工具將數(shù)據(jù)格式由柵格輸出為點(diǎn)；最后添加屬性表字段，輸出為CAD格式即可進(jìn)行下一步的礦產(chǎn)儲(chǔ)量估算。由于DTM法計(jì)算礦產(chǎn)儲(chǔ)量可以在很大程度上忽略地形的限制，結(jié)合此次研究區(qū)域?yàn)槁短斓V區(qū)，故采用DTM法對(duì)研究區(qū)域提取的高程點(diǎn)進(jìn)行礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算，其根據(jù)已有的坐標(biāo)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所設(shè)定的標(biāo)高和范圍，通過(guò)構(gòu)建范圍線內(nèi)的三角網(wǎng)模型，其次對(duì)每一個(gè)三角網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量的計(jì)算，最后將每一個(gè)三角網(wǎng)內(nèi)的填挖方進(jìn)行疊加即可得到最終的填挖方結(jié)果。

通過(guò)設(shè)置與Context Capture Viewer礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算一致的參數(shù)，采樣間隔設(shè)置為5.0 m，江平礦和馬路礦的設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為75.0 m和105.0 m，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。經(jīng)計(jì)算可知，江平礦和馬路礦的平場(chǎng)面積分別為95 605.9 m2和37 467.0 m2，填方量分別為2 184 451.5 m3和906 621.9 m3，挖方量分別為702 641.1 m3和48 897.6 m3，可得其凈填方量分別為1 481 810.4 m3和857 724.3 m3，表明以此方法計(jì)算可知江平礦和馬路礦在各自階段性的開(kāi)采量分別為1 481 810.4 m3和857 724.3 m3。

圖5 DTM法礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算圖Fig.5 Calculation diagram of DTM mining production reserves

4.3 礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算精度分析

為驗(yàn)證基于三維模型采用Context Capture Viewer直接量測(cè)露天礦的開(kāi)采量的精度，實(shí)現(xiàn)低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)比分析了DTM法和Context Capture Viewer直接量測(cè)兩種方法的計(jì)算結(jié)果。表2為江平礦和馬路礦以此兩種方法計(jì)算結(jié)果的精度統(tǒng)計(jì)分析表，以DTM法計(jì)算結(jié)果為真值，差值為DTM法計(jì)算結(jié)果減去Context Capture Viewer直接量測(cè)的結(jié)果，差值百分比為差值除以真值。由表2可以得出，江平礦和馬路礦的誤差差值百分比分別為6.17%、0.05%，相對(duì)誤差均滿足要求，尤其是馬路礦的相對(duì)誤差更是優(yōu)于1%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，江平礦范圍大，垂直落差達(dá)146 m，在高程點(diǎn)的提取應(yīng)設(shè)置更小的間距，提取較為密集的高程點(diǎn)以便更好地反映礦區(qū)的地形地貌獲得更加精確的結(jié)果。

表2 礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表Table 2 Statistical analysis of mineral monitoring results

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)江平礦和馬路礦兩處露天礦山采用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，借助Context Capture進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲取兩處礦區(qū)的DSM和三維模型，其中利用DSM提取的高程點(diǎn)進(jìn)行DTM礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量計(jì)算和利用三維模型直接量測(cè)礦區(qū)的開(kāi)采量?jī)煞N方法，運(yùn)用新興技術(shù)與傳統(tǒng)成熟技術(shù)結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦區(qū)的儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論。

(1)研究區(qū)域江平礦、馬路礦三維模型x方向最大誤差為2.3 cm和2.1 cm，中誤差為1.8 cm和2.1 cm；y方向最大誤差為1.9 cm和1.6 cm，中誤差為1.3 cm和1.3 cm；平面最大誤差為3.0 cm和2.4 cm，最小誤差為0.2 cm和1.9 cm，中誤差為2.2 cm和2.5 cm；z方向最大誤差為3.3 cm和3.7 cm，中誤差為3.0 cm和3.5 cm；至此可知，所選取的兩處露天礦所構(gòu)建的三維模型和DSM空間精度符合規(guī)范要求，此成果可用于礦產(chǎn)儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(2)基本三維模型精度符合規(guī)范要求的情況下，經(jīng)選取開(kāi)采范圍計(jì)算得到江平露天礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量為1 481 810.4 m3；馬路露天礦區(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量為857 724.3 m3。同時(shí)驗(yàn)證了基于三維模型可直接量測(cè)露天礦的開(kāi)采量，其差值百分比均可滿足生產(chǎn)需求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在露天礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，且該技術(shù)以低成本、快速、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，為有關(guān)部門的礦政管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。