王 凯，王 莹，常勤慧

（1.河南省地质局矿产资源勘查中心，河南 郑州 450000；2.河南省第三地质矿产调查院有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

矿产资源属于国民经济可持续化发展的重要基础，国家颁布了《中华人民共和国矿产资源法》等法律条规和行业规定，旨在认真贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的理念，强化对矿产资源的监测和管理。河南省自2006 年就开展了矿产资源开发和遥感监测工作，尤其是针对省内的中西部金矿、铁矿等十多个矿种、超出1500 个矿山陆续开展监测工作，并于2015年开始建立了矿山地质环境动态监测数据库，当地社会各界对矿山监测工作的重视程度也与日俱增。此次基于无人机倾斜摄影测量来探究矿山监测，有重要现实意义与指导价值。

1 当前矿山监测及其难点

1.2 矿山监测及其难点

矿山监测指利用先进的传感器技术、信号传输技术、软件技术等来监测可能影响到矿山安全的相关指标的工程。宏观上分析，矿山监测是项任务艰巨且复杂细节多的工程，再加之受到地形地质因素的影响，都明显加大了矿山监测的难度。当前矿山监测工作的难点主要体现在两点上：

其一，工作量大。通常具备开采价值的矿山无论是储量还是体型都较于偏大，因而其待监测的范围也会更大。技术人员不仅需要详细了解矿区位置、矿产储量及其他信息的变动情况，还需要分析矿山开采过程中可能对周围环境的影响，需要增加监测次数并进行多次信息收集，会加大技术人员工作量[2]。

其二，技术性强。无人机倾斜摄影测量属于新时期下被广泛运用的监测技术，虽然操作上得到明显简化，但它对于设备和人员专业素质都有着较高的要求，若技术水平低下会直接影响矿山监测质量与进度。

2 无人机倾斜摄影及其应用优势

2.1 无人机倾斜摄影技术

无人机（Unmanned Aerial Vehicle；UAV）是无人驾驶飞机的缩写，它能利用无线电遥控设备和自备程序来控制，世界海关组织协调调度委员会将UAV 归类为“会飞的照相机”[1]。无人机倾斜摄影是国际测绘领域近年来发展的高新技术，能从垂直、倾斜不同角度采集影像，确保对相应对象的监测更为形象直观。该技术以无人机这一工具为载体，搭载上5 镜头倾斜相机（图1，镜头和地面成一定夹角，通常15° ～45°）后按照预定航线自主飞行。和传统监测技术相比，无人机倾斜摄影技术无论是拍摄的效率还是质量上都有较显著的优势，还能有效缩短成图的周期和监测的时间，尤其在许多困难地区测绘领域中发挥出价值。当前该摄影技术被用于矿山测量中，以期能优化矿山监测方案提升监管力度。

图1 无人机倾斜摄影

2.2 无人机倾斜摄影测量在矿山监测的应用优势

无人机倾斜摄影测量应用于矿山监测的优势可总结为三点：

（1）监测效率高。矿山监测涉及范围广、数据多，监测效率低下会影响到矿山测绘水平。和其他测绘技术相比，无人机倾斜摄影有着监测效率高的明显优势。在无人机倾斜摄影技术中，还集合了全球定位技术（GPS）、飞行器技术和数码传感器技术等先进技术，能明显提升整体的监测工作效率，为后续矿山的开采与保护等工作奠定坚实基础。

（2）灵活性好。和常规的航拍飞机相比，无人机体型轻巧操作便捷，无需驾驶员，能实现灵活操控。同时运用无人机倾斜摄影测量还能监测到矿山内不同范围的区域环境问题，提升整体的监测质量。

（3）数据分辨率高。无人机倾斜摄影技术中涵盖了GPS 技术、传感器技术等，能很大程度上地提升了整个设备系统的质量，保障其摄影技术分辨率。无人机倾斜摄影分辨率可超出卫星影像分辨率的三倍，且能达到0.1 m 精确度，成果点位精度能超出95%[3]。

3 无人机倾斜摄影测量在矿山监测的应用

3.1 案例概况

河南省南阳市某矿山（铁矿）位于南阳市桐柏县，下文简称A 矿山。A 矿山处于河南省的东南部，在豫、鄂交界处。该地区铁矿资源丰富，含铁量近105 t受到广泛关注。A 矿山内除铁元素外，还有硅、铝、硫、磷、镁、锰等。河南省有关部门按照《矿山地质环境监测管理办法》规定，分别设立了省级、市级、县级的矿山监测机构。同时，根据河南省整体地质矿产资源的开采分布和矿山地质环境的发育及其危害程度来进行矿山类别划分。作业单位为获取A 矿山的倾斜影像数据，提出要发挥无人机多角度、多镜头、精度高、多分辨率的优势。提前组建专业技术小组，由小组人员操作搭载了五镜头的倾斜摄影无人机使其按提前制定的航线飞行，并多个方位获取A 矿山相关影像。将所获影像进行预处理等内业处理后再构建实景三维模型，便实现矿山监测信息的智慧化显示。

3.2 无人机倾斜摄影测量流程

无人机倾斜摄影技术的应用流程如图2 所示。

图2 无人机倾斜摄影技术的应用流程

3.2.1 测量前的设备参数设定

此次以河南省A 矿山为测绘对象，该矿山地理条件相对复杂，且现场地势陡峭，部分区域存在危险性，地质环境差异大。将A 矿山划分为10 个测绘区域，提前准备好无人机倾斜摄影测量设备，选用飞马D200 四旋翼无人机倾斜摄影系统，包括飞行器、DOP300 倾斜航拍摄相机和双频GPS 导航模块。设备荷载重量为3 kg，续航时间在1.5 h，飞行高度为400 m[4]。该系统摄像机分辨率高、覆盖范围较广，摄影相机的总像素大于1 亿，重量1.66 kg，选择在晴朗无风条件下飞行。

3.2.2 矿区考察与航线制定

借助无人机倾斜摄影技术来实现对矿山监测工作的前提条件就是制定科学合理的飞行航线以此实现对A 矿区的全面化覆盖，避免出现遗漏从而影响到后续矿山开采及监管等工作。另外，在决定进行矿山监测前要强化考察。首先，相关专业技术人员要利用通用勘察设备对河南省A 矿山的实际位置、地形、地质条件及周围环境等有大致的了解，分析可能存在的影响因素，如地质地貌、气候等，并决定无人机摄影的场所及需要的设备。其次，在制定无人机飞行航线时除了要考虑到符合A 矿山的实际条件，也要结合数字地球的影响，实现两者兼顾。A 矿山航线设计相对高度为181 m，影像地面分辨率为3 cm，航向重叠度约80.0%，共拍摄了约2597 张影像资料。

3.2.3 布设像控点与摄影

为确保实现矿山监测的目标，需要由技术人员合理布设像控点，以保障监测环节中能充分施展无人机倾斜摄影的功能。在布设阶段相关技术人员要结合实地考察环节来合理布设，并结合无人机设备参数和性能来制定像控点布设方案，包括像控点的位置、数量、间隔距离等，确保能实现对A 矿山的全面覆盖的同时也能满足无人机飞行时的轨道，从而保障矿山监测质量。在实际航拍时一方面要考虑到天气的影响，尤其主动避开各种恶劣天气；要考虑到无人机的起飞和降落地点，尽可能选择在地势比较平坦且范围较大的场地来起降，防止无人机不慎因外界作用而损伤。设置应急方案，在可能出现的紧急情况下进行手动操作[5]。摄影要从多个角度来捕捉图像，根据相机检校文件提供内方位元素和光学畸变校正参数来提升摄影质量。此外，将选定的倾斜图像投影到创建的虚拟图像，以免土壤产生的阴影可能影响到摄影图像，导致对A 矿山的监测结果造成不利影响。

3.2.4 图像采集与整理

无人机倾斜摄影后得到的数据属于最为原始的资料，无法从中获取关于A 矿山监测所需的深层信息，需要由专业技术人员整理分析。在收到无人机倾斜摄影资料后由地勤人员来核对实施传输的影响，标注出可能存在的重叠度不足、影像丢失、重点区域信息漏洞等问题，并及时将意见反馈给无人机倾斜摄影负责人员要求补拍，确保影像完整性；整理所拍摄的A 矿山信息后，相关技术人员开始运用如Smart3D、ArcGIS 软件处理，获取A 矿山的DOM 和DEM 数据，并将该数据信息和以往所整理出的信息对比，掌握其中的变化从而实现动态监测。

3.2.5 三维模型构建

内业要对获取的影像照片进行预处理，并构建三维模型。Context Capture 构建三维模型，运用数据分块、点云匹配、TIN 构建、纹理贴图等功能，随后用修模软件DP-Modeler 来检查修饰，若不合格要继续修改，直至完成三维模型成果，相关流程如图3 所示。关于质量模型检查主要从空三报告、控制点报告、检查点报告上着手，对比实际坐标和模型坐标并统计其高程误差。

图3 三维模型构建

3.3 矿山开采边坡监测

边坡开采对于矿山工作有着极为重要的影响，需要将该环节纳入到矿山监测的重点环节中。边坡角度通常要控制在40° ～60°间，但随着时间推移、人工开采等因素的影响，都可能加大边坡问题。A 矿山属于露天矿山，为评估边坡角度是否稳定，矿山施工是否安全，可积极应用无人机倾斜摄影测量技术。无人机倾斜摄影后能获取数字高程模型DEM，实现对A 矿山边坡的有效监测，保障监测质量的同时还能减少人工成本的投入。

3.4 矿山储量变化监测

A 矿山的开采和发展中，关于其储量和变化程度是不可缺少的判断标准，是矿山管理部门进行监测的重要指标。将无人机倾斜摄影测量应用到对矿山储量变化的监测中效果突出，它能通过每期DOM、实景三维模型进行非常直观的横向对比分析，让监管人员能清楚地了解不同时间段内的储量变化数据，便于矿山管理部门能第一时间掌握到A 矿山的相关信息并结合实际制定开采计划，利于促进矿产行业发展。

3.5 矿山监测成果展示

为了便于当地的矿山管理部门能围绕A 矿山进行实时监管并做好决策部署，基于B/S 构架搭建矿山开挖自然监测系统，并支持成果导入[6]。首先，该系统能便于矿山管理人员24 h 的登录与浏览，及时导入无人机倾斜摄影测量资料和矿山设计资料，并能将所测定出的数据进行分屏显示，清晰地注明距离、高度、面积等数值。其次，实景三维模型与视频监控联合能实现对A 矿山动态化监控。该系统平台可调用视频接口，获取视频传感器回传相关信息来了解矿山开采的实时状况，以防止出现超界开采的问题，还便于矿山监管人员监测进度和质量。

4 结语

综上所述，矿山是重要的矿产资源但因矿产开采本身存在着工程量大、技术难度高的特点，再加之地质复杂多样，为避免在开采环节发生各种问题，就需要利用现代科技技术来从矿山监测上提供支撑。矿山监测是针对矿山工作的整体监督任务，它能很大程度上保障开采的效率和安全性。随着科技发展，无人机倾斜摄影测量开始被应用到矿山监测环节中，和传统监测手段相比，其优势突出。此次以河南省A 矿山的无人机倾斜摄影监测为案例研究，相信通过运用该技术后能有效保障矿山监测工作质量，并推动我国矿产行业积极向好发展。