实景三维模型在露天矿山开采

实景三维模型在露天矿山开采   监测中的应用探索

[摘   要]文章基于实景三维模型，采用影像特征线自动提取方式获得露天矿山开采范围线，采用DEM辅助立体分层积分的方法自动计算露天矿山开采量，极大地减少了传统监测方式的外业工作量，缩短监测露天矿山开采过程的周期，实现露天矿山开采监测的自动化以及三维可视化。

[关键词]实景三维模型；数字高程模型辅助立体分层积分；矿山监测；三维可视化

露天矿山的开发引起人们的普遍关注。露天矿山的开采不仅会对开采区域的地表植被造成破坏，而且会影响开采区域周边的环境。因此需要及时、准确地掌握露天矿山已开采的范围线以及矿山资源的变化存储量，并在整个开采过程中定期对露天矿山进行监测，掌握每一个周期矿山开采范围及存储量变化，为自然资源主管部门加强管理提供数据支撑。

研究小组结合采矿许可证上的矿区范围拐点坐标、开采深度以及DEM制作露天矿山初始三维模型，按照时间顺序获取各个监测周期的矿山实景三维模型，实现对露天矿山开采全监测的三维可视化。

1    矿区三维模型制作

1.1    DEM辅助采矿权登记信息制作模型（M1）

结合采矿权登记审批的开采区域拐点坐标信息和高精度DEM数据，制作出贴合地表的露天矿山开采地表范围；通过采矿权登记审批开采深度中的标高范围和拐点信息，并结合露天矿山开采地表范围以及DEM制作出符合采矿权登记审批的露天矿山可开采区域的三维模型。具体制作流程如图1所示。

1.2    无人机倾斜摄影测量技术制作模型（M2）

无人机倾斜摄影测量技术集成POS系统，分别从垂直、前方、后方、左侧、右侧5个不同的方向和角度获取影像数据以及POS数据^[1-2]。无人机倾斜摄影测量具有直观反映真实情况、数据量小易于网络发布、数据获取周期短、精度高等优势^[3-5]，特别适合用于获取露天矿山开采监测中不同周期的数据，从而减少野外测量的工作量，缩短露天矿山监测周期。按照《工程测量规范》（GB50026—2007）1∶500比例尺的精度要求^[2]，在完成野外数据获取之后，通过Context Capture软件，利用地面控制点数据、POS数据、5镜头影像数据等数据实现自动化露天矿山实景三维模型的制作。露天矿山周期监测实景三维模型制作流程如图2所示。

2    露天矿山开采边界线自动提取

2.1    提取方法

通过对露天矿山开采区域范围的监测可以判断露天矿山开采是否超出采矿权审批授权的开采范围，这是露天矿山监测的重点工作。为了快速自动提取露天矿山开采边界线，研究小组在露天矿山实景三维模型的基础上，通过正射影像的制作方法，将实景三维模型正射投影到平面形成正射影像，再将正射影像投影到CGCS2000平面坐标系中；采用2×2的图像边缘检测算子模型，检测整个影像的所有像素点，当像素点满足检测算子设置的阈值时，将该像素点作为露天矿山开采边界线上的点；开采边界线提取完成之后，以相邻3个点为一组计算夹角，当夹角度数小于给定经验阈值时，剔除中间点进行抽稀，获得开采边界线。

为了缩小图像检测的范围，在进行边界线提取之前，可人工在实景三维模型上绘制一个大于实景三维模型中矿坑边界的多边形，利用该多边形套取基于实景三维模型制作的正射影像，以减小矿山开采边界线自动提取的时间。露天矿山开采边界线自动提取流程如图3所示。

2.2    提取效果

图4为自动提取的广西某露天矿山开采边界线，其中蓝色线（外多边形）为人工绘制的多边形范围线，青色线（内部多边形）为利用实景三维模型自动提取的露天矿山开采边界线。

将自动提取的矿山开采边界线与采矿权证书的矿区拐点坐标附件进行叠加分析，如果越界，可以提取出越界的范围、面积等数据^[3]，为露天矿山开采范围监管工作提供有效的数据支持。

图4 自动提取的露天矿山开采边界线图

3    露天矿山开采量自动计算

3.1    DEM辅助立体分层积分法

以采矿权登记审批开采深度标高范围为立体分层范围，以△h为分层高度，利用DEM辅助将露天矿山开采深度标高范围分为n层，计算露天矿山矿段体积的公式为：

式（1）中，△h为立体分层高度；n为△h为高度将模型分为的层数；S_i为第i层的面积；i为立体分层中第i层。

式（1）中S_i计算方法为：利用自动提取边界线中绘制的多边形作为立体分层面中每一层的范围，在范围线内，通过小间距平行扫描线从左到右与矿区三维模型（M1）、露天矿山实景三维模型（M2）进行求交，将每一条扫描线的交点坐标按行或获取顺序分别存放。当全部获取立体分层范围内每一条扫描线交点坐标之后，将M2获取交点与M1获取交点进行分析比对，获取S_i层开采范围交点，并对所有交点、坐标点进行栅格化处理，设置阈值，再次利用边缘提取的方法获得第i层的已开采区域的边界点并构建边界范围面（见图5）。

在已获得边界点的基础上，计算获取边界点构成多边形的最小外接矩形，从而更加精准计算Si的面积，△w为宽度，将最小外接矩形分割为m×n个小的矩形，然后分别计算每一个小矩形的面积，计算公式为：

式（2）中，S_i为第i层的面积；s_ij为第i层第i行第j列矩形的面积；m为第i层的扫描线数量（行数）；n为第i层以△w为宽度计算的列数；i为第i层第i行；j为第i层第j列。

其中s_ij计算公式为：

式（3）中，sij为第i层第i行第j列矩形的面积；△w为扫描线行间距宽度。

3.2    计算结果

研究小组以广西某露天开采采石场开采区域模型、2016年度及2019年度三维模型为例，对本文方法进行验证，其中开采区域模型通过采矿权登记审批中的拐点坐标以及标高数据构建三维模型；第一次监测模型为2016年航飞三维模型，第二次监测模型为2019年无人机航飞三维模型。计算结果如表1所示。

4    结    语

露天矿山的开采范围线、深度、开采量等信息是露天矿山监测中的重点，是判断开采企业是否依法依规开采的重要依据。实景三维模型不仅可以更加真实地反映露天矿山开采过程中的实际情况，而且可以自动提取每一次监测的开采范围、开采深度，自动计算露天矿山开采的动态变化存储量。目前实景三维模型自动化的获取、计算方式仍存在一些不足，比如所有计算均在内存中完成，这对计算机性能要求较高，算法结构较为复杂等，需要不断地验证修改完善。

[参 考 文 献]

[1]蔡亮，王蒙蒙.基于Context Capture的无人机倾斜摄影三维建模及精度分析[J].建筑，2020（3）：74-76.

[2]徐东华，谭金石，苏一丹.无人机倾斜摄影测量技术在露天矿区监测中的应用研究[J].广州航海学院学报，2019，27（3）：66-70.

[3]张玉侠，兰鹏涛，金元春，等.无人机三维倾斜摄影技术在露天矿山监测中的实践与探索[J].测绘通报，2017（S1）：114-116．

[4]韦小儒.无人机倾斜摄影测量在露天矿山监测中的应用研究[J].世界有色金属，2018（7）：21-22.

[5]李博，徐敬海.无人机倾斜摄影测量土方计算及精度评定[J].测绘通报，2020（2）：102-106，112.

[作者简介]曲瑞超（1986-），男，2014年毕业于中国测绘科学研究院，摄影测量与遥感专业，主要从事GIS应用研究工作，工程师。