测绘航空摄影在数字矿山建设中的应用研究.pdf

237管理及其他Management and other测绘航空摄影在数字矿山建设中的应用研究何建文摘要：随着科学技术的不断发展，测绘航空摄影技术逐渐成为数字化矿山的重要组成部分。在现代数字矿山建设中，测绘航空摄影为获取地表形貌、了解地形地貌及其与地质构造等综合信息提供了有效手段，已成为矿业企业数字化应用研究的重要内容之一。由于矿产资源勘探开采活动具有不间断性、随机性、周期性等特点，对矿产资源勘查开发的精度要求极高。传统的矿产资源勘查开采技术在进行野外工作时，存在着各种技术缺陷：效率低、成本高等问题。而以航空摄影技术为代表的数字化勘探及采矿方法的出现使得测绘航空摄影在矿山建设中得到广泛应用，将成为数字矿山建设中必不可少的手段之一。关键词：测绘航空摄影；数字矿山；建设应用；应用研究数字矿山是以生产数字化为基础，运用现代信息技术进行矿山管理、建设和运行的一体化综合管理系统。其中，测绘在矿山建设中发挥着重要作用。近年来，随着我国经济社会的发展繁荣及资源枯竭等问题的加剧，全球环境恶化。随着生产经营规模、产业结构和产业链不断提高，数字矿山产业逐渐成为促进矿产资源可持续发展、保障矿产资源安全与高效生产的重要基础之一，而利用航空摄影技术进行地形测量则是促进其发展所必不可少的手段之一。作为航空摄影测图技术应用的重要组成部分及应用领域，航空摄影在遥感测绘以及数字矿山建设中起着重要作用。而测绘航空摄影技术在数字露天矿建设中发挥着关键性作用。1 数字矿山概述1.1 数字矿山的内涵数字矿山是指将地理信息系统、云计算、人工智能、数字城市等现代信息技术,与矿业企业的生产经营管理相结合形成的一种全新生产经营管理模式为核心要素，以实现资源高效利用的整体架构模式。数字矿山是在计算机技术和信息技术广泛应用于矿山生产管理活动和矿区建设的基础上形成的新的概念。数字矿山是指以先进可靠地测绘技术为基础，通过整合矿山生产过程、管理流程和资源动态信息，建立一个统一的信息采集平台，使矿山生产过程从宏观上反映出企业生产经营状况、生产组织模式和生产组织目标、矿区环境条件、安全管理水平、安全风险等一系列重要特征。在数字矿山建设过程中，需要充分考虑生产流程和矿区环境条件等因素对信息化应用系统建设提出了更高的要求。矿山信息采集平台主要包括生产控制系统、矿山运营系统以及煤矿安全监控系统三大部分。数字矿山为矿企提供了一个智能化、系统化和现代化的生产经营管理平台，其与传统数据采集与分析模式相比具有较大优势，为矿业企业数字化应用研究提供了新思路。1.2 数字矿山发展趋势与技术手段随着科技的不断进步，人类社会已进入信息时代，科学技术将对生产和生活产生巨大的影响，矿业领域同样如此。伴随着技术的进步，矿业领域中出现了很多全新先进且实用的技术以及产品。目前很多矿业企业正在积极进行矿山数字化实践应用研究，数字矿山建设就是其中之一。以数字化开采技术为代表，通过对大型采矿设备以及其他设备上安装的各类传感器测量信息与地面数据结合以及处理技术形成图像、声音及视频等各种新的信息载体，利用计算机视觉获取对象运动数据及其周围环境信息，并通过算法分析处理其地理位置、地形地貌及其与地质构造等综合信息来构建动态地形图。近年来,国内外数字矿山规划和建设实际情况来看，测绘航空摄影技术作为数字矿山建设的有效手段，将成为未来矿业领域数字化施工、生产与管理的重要手段。2 航空摄影技术与数字矿山的结合2.1 基于飞机飞行平台的影像获取数字矿山利用的航空摄影测量方法主要包括航空摄影测区和卫星遥感测区。采用飞机飞行平台进行影像获取时，需满足以下条件：飞行平台所需装备为固定翼飞机或直升机。固定翼飞机是指没有翼面的飞机，或者只有一个翼面的飞机；直升机是指没有螺旋桨的直升机或者只有具有一定螺旋桨的直升机。由于不同飞行器具有不同的性能特点，通常需要满足不同飞行平台对遥感影像要求，如直升机飞行平台具有较大的空域效率以及稳定、空域效率高以及载重能力强等特点。由于不同飞机所具备的性能不238管理及其他Management and other同，相应的机型可选择不同类型的航空器。对于航空摄影测量来说，首先需要选择相应合适的相机以获得清晰准确的影像数据。其中应选择具有良好操纵性以及足够的稳定性、飞行时间较长有较高稳定性、具备一定载重能力并能满足测绘生产要求等条件，以保证对地形图数据能够正确采集、精确展现。然后需要选择合适、性能较好、重量较轻，且满足一定载重能力的设备所产生的影像进行测量和处理。然后以满足野外环境下地理信息数据采集需求为原则，利用地形高程模型、控制点模型、坐标模型等进行三维实景信息提取以及建模与测试。最后，在满足一定精确度前提下，将获取的航空摄影测量图制作成一定规格，且符合基本几何模型或数据管理程序要求的地形图供测量人员，进行检查检验以保证质量和精度等条件。2.2 航测遥感数据获取方法研究数字矿山地理信息系统中，地理空间数据的采集、管理、分析、利用以及成果的展示，是地理空间化成果在生产活动中广泛应用的前提和基础。地理信息系统的基础，是实现国家空间地理信息资源管理和使用的基本手段和重要基础设施。其主要功能是通过地理空间数据采集和管理，获取地理信息资源，利用地理信息产品加工技术，提供空间基础地理信息服务。在数字矿山建设中，地理信息系统主要包括航空影像信息获取手段和空间基础地理信息系统两部分组成。随着电子计算机与通讯技术快速发展，近年来航摄航空影像技术不断发展和成熟。目前，以美国国家航空航天局（NASA）或欧洲航天局（EuropeanSpaceArray）为主主要的航摄航空影像处理技术已被广泛应用于美国和欧洲航天局国家太空地理信息系统中各项地理空间数据采集工作中，获得了广泛应用。采用航空影像获取手段时应选择适宜地区，并对测区进行划分处理；同时，根据应用情况建立航测影像数据库并对航测影像数据进行管理与分析；并保证数据得到合理使用和可更新程度等方面考虑。航空摄影数据应满足以下几个条件：高程、全站仪、摄影航摄数据；影像分辨率；对比度和解译精度等指标要求。通过航测遥感影像获取条件研究可帮助决策人员更好地分析和利用地理空间信息技术资源进行管理，从而提高生产效率和服务质量。2.3 对矿山项目中测绘技术应用现状的研究分析对该矿山项目现状进行分析，可以看出目前使用的主要测绘技术包括航空摄影、电子影像等。该项目自2007年启动实施以来，由于工作的复杂性、高精度要求，导致该项目建设周期较长，在建设完成后需对整个工程进行实地测量核对，同时进行影像的实时更新。从影像的精度来看，该矿山测绘主要采用的是RTK技术，该技术与普通的遥感技术相比具有精度高、速度快等特点。从实际使用效果来看，该矿山项目自2007年启动实施以来，到目前为止所拍摄的影像数据已达到1平方公里左右。这是由于受地理信息系统中DEM和TimeObject两个模块功能的限制，所拍摄的影像大多以静态为主，没有实现对矿山整体地形地貌以及地物地貌与建筑、植被等实景要素进行数字化地形图信息采集。这与数字拍摄技术是相匹配相适应是有一定关系的。因此，在数字矿山建设过程中需要将此技术与传统测绘技术相结合方能满足企业生产建设管理需要或者保障数字化成果的准确性与完整性。2.4 对无人机航拍软件形成高精度的测绘地形图为了能够快速建立数字化地形图，首先需要利用航空摄影技术获取矿体空间数据。而矿体空间数据的获取方式有很多，主要有点状扫描、全站仪扫描、全向高程扫描、三维影像扫描等。其中点状扫描以其为中心，可以在整个采矿区域内实现“点线面”的三维空间立体呈现。全站仪作为野外测量工作不可缺少的工具，其所获得的数据可以快速建立矿山数据库。而航空摄影技术不仅能较好地获取遥感影像，而且能以最小尺寸的投影单元实现在整个矿山范围内的三维空间立体呈现。因此，利用空中无人机航拍软件可得到地表几何参数和投影信息。同时，无人机也作为了实时获取矿山土地空间信息的手段。当其与矿体结合使用时可以实现1：500高精度地表面数字影像数据的快速生成和高精度地表面地形数据库的建立。利用地面数字模型可直接将各种复杂地表地理要素整合成一个数字地形图，对于数字矿山建设中快速生成地形图具有重要意义。3 航空测绘在矿山摄影中需解决的问题3.1 影像精度、数据提取效率低数字化矿山建设中，影像精度是重中之重，影像精度高的成果可以满足数字化控制的需要，影像精度低的成果无法满足数字矿山建设使用。由于矿山生产区域变化较快，原有数字化影像与数字模型难以有效融合，现有图斑多为局部点状，不利于实现立体数字模型（如地质三维模型、高程模型等）以及地表覆盖信息、地表结构信息等基础数据采集。现有影像与数字模型融合不够，与矿区地形、地质等地形之间存在差异，无法实现区域影像对地形的全覆盖，且传统的地籍测量方法无法有效识别矿区各类地貌信息。此外，数字矿山基础建设中的地形起伏区域较多且复杂多样，地面控制点较少且范围狭小、易受人为因素影响等原因，导致影像数据提取效率低下、重现性差等问题出现。对于地形信息提取时难以识别矿区周边区域环239管理及其他Management and other境信息、地质结构信息等，无法准确提取地表覆盖信息，无法识别地表裸露区域与裸露地物等。所以目前矿山数字化影像和数字模型融合质量不高、不完善也是数字矿山建设中主要问题之一。3.2 地形复杂，处理工作量大尽管采用航空摄影技术进行数据采集，但其成果数据也要进行相应处理和编辑。由于矿山地区地形复杂、起伏较大、航摄条件差等原因，处理工作量大。矿山地区由于地表分布相对分散，再加上地形起伏较大，航摄飞行中可能会遇到地形复杂、地面情况复杂、恶劣天气等问题。对此，要对矿区地形地貌进行综合分析预测，并结合矿区周边地势特点及交通状况等进行规划测绘、规划设计技术指导、地形变化信息更新分析等工作。由于传统摄影设备航摄过程中要在地面控制网上空进行航空摄作业，因而需考虑到低空相机与地面测控网络连接问题，同时还要兼顾无人机航摄系统定位等技术问题。另外随着信息技术和电子信息技术发展，生产和生活对摄影测量设备技术要求也越来越高。航摄设备与测绘仪器相互之间存在信息传输、数据处理过程中可能产生的安全问题都可能给矿山生产造成不利影响。3.3 精度要求难以满足数字矿山建设需求数字矿山项目涉及多个测区，由于地面控制网的区域面积较大，对测区的地形精度要求较高。目前大多数大型矿山均采用全站仪进行测区测量，对全站仪的精度要求较高，但对测量效果影响较大，对于高精度地平面测量来说，随着机载高分辨率航摄设备与遥感技术的发展和应用，对地平面测量精度的要求也在不断提高。对地平面测量精度应采用基于高程模型的全数字摄影测量技术路线进行测绘，将航摄过程所需数据进行数字化获取，采用基于PBX软件与HRBP软件自动提取、计算处理后获得的数字地形图特征信息，再采用数字地图软件进行快速建模、实时建模等快速测绘服务。结合当前数字矿山建设工程所需的航摄设备、地面控制网以及获取高精度地形图的相关需求制定详细的方案和技术路线。这就需要对当前数字矿山建设工程项目所需航摄设备或地面控制网进行升级改造以及对系统中现有航摄项目进行技术改造以满足建设需求。此外，对测绘航空摄影工程项目开展过程中所需人员数量较多，航摄过程中存在许多不确定因素以及工作量较大等情况都会影响航摄进程，从而影响项目进度及项目质量。3.4 数字矿山建设理念和数字矿山应用模式有待优化完善数字矿山建设理念的建设需要企业和相关技术人员的共同参与；数字矿山系统需要多种技术手段为支撑，以满足不同业务部门间业务流程、技术标准、工程应用等方面发展动态的需要；数字矿山系统是一个庞大的系统工程，涉及测量、计算机、通信、计算机图形处理、遥感等多个专业部门，需要各个业务部门、设计部门和工程部门通力协作，以形成合力共同推动建设工作向纵深发展。此外，数字化矿山建设项目具有投资大、周期长、实施难等特点，因此，应选择在具有良好信誉或者一定经济实力等可靠基础设施的矿山企业建设。同时应充分考虑矿山企业建设项目风险、管理需求等因素确定建设模式和方法，保证项目顺利实施。矿山企业数字化矿山建设涉及项目数量多、规模大、地域广、分布分散、技术复杂、管理难度大等诸多因素。数字矿山实施难和管理难已成为矿山企业目前亟待解决的问题之一。4 结语现阶段，我国数字露天矿技术与理念已逐步得到全面提升。特别是在矿体开采过程中，矿业生产经营规模逐渐扩大，对矿产资源需求日益旺盛。在这种情况下，矿业企业采用传统的野外作业方式进行勘探作业所存在的局限性与不合理性已被充分认识。针对传统野外作业方式存在的诸多弊端及实际作业中存在的诸多不足，本文结合数字露天矿勘探作业实际需求，分析了传统的野外作业中存在的问题及原因，并针对目前矿业行业中普遍存在的问题进行总结阐述。基于此分析结果，提出了数字露天矿数字化的概念要求。并针对传统的野外作业方式及其存在的种种弊端对其实施解决措施。其中，采用航空摄影测量技术进行矿业生产管理及矿山环境监测是解决该问题有效手段之一。首先，借助遥感影像图将矿区及其周边地理信息数据进行实时、动态数据更新。其次，通过航空摄影测量技术能够对矿区周边地形、地貌及周边环境进行全面细致的检测；最后，通过无人机航拍所获取的影像数据直观展现出矿区周边环境现状以及环境变化状态，进一步分析探讨并制定出具体的解决方案及应用方向。（作者单位：甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院）