无人机摄影测量在尾矿堆场库容测定中的应用

黎 亮

（1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029）

精确计算尾矿堆场库容量（填方量），既可为矿业生产中合理编制开采计划、妥善安排开采进度提供准确的数据依据，也符合矿山储量动态监督管理机制的需要。尾矿堆场中一般为浆体液态或高流动性物质，针对这种地形条件，传统全站仪或RTK[1]技术外业数据采集的难度大，得到的信息量少、精度不高、效率较低。随着不接触测量技术的发展，基于三维激光扫描技术[2-3]、地基雷达[4-5]、InSAR[6]技术的方量计算方法逐渐被广泛应用，其通过获取点云数据构建DEM计算库容量，效率高，但成本也相对较高。消费级无人机摄影测量技术[7-8]逐渐发展成熟，能快速进行外业采集与内业处理，成本低、效率高，在尾矿堆场库容测量方法中是经济、效率的优选。首先通过高清影像与地形数据得到的DEM、DOM计算堆场堆填方量，再与设计库容总量进行对比，得到当前堆场库容数据。在工程实际中，根据地形条件与工程精度需求选择合适的挖填方量计算方法[9-10]，能提高作业效率与计算的准确率。本文结合工程实例研究了无人机摄影测量技术在矿山库容测定中的应用，介绍了无人机摄影测量的技术实现，对比分析了方格网法和DTM法两种方量计算方法，为更好开展方量测量工作累积了经验。

1 无人机摄影测量作业

1.1 测区概况

本文以某矿区尾矿堆场的库容测定为工程实例，尾矿堆场的卫星影像如图1所示。测区面积约为0.6 km2，由于矿业经营持续不断，堆场地形起伏变化较大，区域内基本无植被、信号好，有利于无人机飞行。

图1 测区范围卫星影像

1.2 外业采集与内业处理

1.2.1 无人机平台

由于测区面积不大，本文选用大疆精灵4无人机进行数据采集。该无人机配备2 000万像素的云台相机、配套软件以及高效稳定的高清图像传输系统，机身预搭载DJI D-RTK TM 2天空端，可实现高精度准确定位；机身装配的红外感知系统和视觉定位系统能实现全方位的视觉定位和障碍物感知，从而更加智能高效地进行外业测量。无人机主要性能参数如表1所示。

表1 大疆精灵4无人机性能参数

1.2.2 像控点布设与航线规划

大疆精灵4无人机搭载的RTK模块可获得影像厘米级的定位精度，实现免像控技术。为提高外业数据采集的精度，本文仍在地面布设部分像控点进行校正和检核。由于测区范围较规则且视野开阔，在测区内均匀布设9个像控点，采用千寻知寸CORS账号对各像控点进行数据采集，每个点独立采集3次，数据平滑10次。根据测区范围与像控点的分布规划航线，实际航线规划范围应略大于测区范围，以便更好地记录区域边界外侧纹理。

1.2.3 内业处理

本文采用瑞士的Pix4D Mapper软件处理无人机采集的数据和航空影像。该软件可自动生成影像，并快速生成专业精确的二维地图或三维模型，操作便捷、处理快速、精度高，可自动获取相机参数、自动生成带纹理的三维模型以及正射校正镶嵌结果。Pix4D数据处理流程如图2所示。利用Pix4D软件对外业采集数据进行处理后的测区正射影像如图3所示。

图2 Pix4D软件处理流程图

图3 测区数字正射影像

1.2.4 精度分析

从航测处理数据中提取布设的检核点点位，并与实测检核点位进行对比分析，以验证航测的精度。检核点为测区范围内均匀分布的20个明显的地物特征点，野外坐标采用GPS RTK采集。根据GB/T 14912-2005《1∶500、1∶1 000、1∶2 000外业数字测图技术规程》，以检查点野外量测为基准，立体量测相对于野外量测的平面位置中误差为0.18 m且高程中误差为0.23 m，则符合要求，即

2 方量计算方法

根据无人机内外业处理的结果，将生成的点云导入南方CASS软件中，采用方量计算方法对填方量进行计算。CASS软件中土石方量的计算方法包括方格网法、断面法、等高线法和DTM法，各方法的适用性不同，即在不同地形地貌条件下不同方法计算的结果与精度都有区别。断面法适用于地形复杂且起伏较大，挖填深度较大且不规则的地形；等高线法的计算精度相对较低，且需要相应的地形图资料；方格网法适用于地形地貌变化不大的测区，细分不同的设计标准，其精度主要与方格网的宽度有关；DTM法精度高，能很好地适应复杂、不规则的地形。通过分析无人机航测结果发现，该测区地形分布较规则，地势起伏不大，宜采用DTM法和方格网法进行挖填方量计算。在本工程实例中主要探讨DTM法与方格网法在挖填方量计算中的应用性能。

2.1 DTM法

DTM法以野外测量的高程点数据为基础，一般采用构建不规则三角网（TIN）的方法，先计算每个TIN内的填方量，再累加各TIN内的填方量得到区域的总填方量。计算当前库容或当次填方量时，需设计标准或上次测量的TIN模型，两个TIN模型叠加，两个表面之间的三角形单元体积即为填方量。在CASS软件中，先展开野外测量的高程点，确定量方范围的边界；再选择DTM生成方式，建立TIN；然后结合两次TIN，点击DTM法土方计算，可直接借助计算机输出方量信息。具体实现步骤为：计算两期间土方量→导入第一期TIN→导入第二期TIN→计算结果输出，如图4所示。

图4 两期间土方量计算过程

2.2 方格网法

与DTM法相同，方格网法也需要以野外测量的高程数据生成TIN，然后通过在TIN中内插方格网计算每个方格内的填方量总和，即为当前区域内的总填方量。具体操作步骤为：绘图处理→展高程点→确定区域范围的边界点并连接闭合→工程应用→方格网法土方量计算→选择计算方式→选择设计面→设置网格宽度→结果输出。方格网法计算结果如图5所示。

图5 方格网法计算结果

3 计算分析

3.1 基准数据获取

为对比方格网法与DTM法计算测区挖填方量的准确性，在挖填方量连续监测的数据中选取一期监测数据，结合堆场的相关设计资料，将测区划分为16个子分区，细分后的子分区地形适用正、斜方格网法进行计算，将网格宽度设置为1 m×1 m，多次计算得到挖填方量结果，将其作为参考的真实挖填方值，来对比DTM法与方格网法的计算结果。测区划分示意图如图6所示。本文通过每个子分区的挖填方量计算结果来估计堆场的总挖填方量，如表2所示。

表2 子分区挖填方量计算结果统计表

图6 测区划分示意图

3.2 对比分析

为探究两种土石方量计算方法的精度，本文分别采用DTM法和方格网法对当期的挖填方量进行计算。DTM法选取连续两期的TIN数据对测区的挖填方量进行计算，方格网法则分别设置了5 m、10 m、20 m 3个网格宽度，输入标高与坡度值进行计算。按项目设计的许可误差＜3%来限定计算结果的准确性，两种方法的计算结果与参考真实值之间的对比误差如表3所示，可以看出，当网格宽度为5 m、10 m时，方格网法的计算误差满足小于3%的要求，表明方格网法中网格宽度的设置是计算土方量准确度的关键，网格宽度越大，计算偏差越大，其原因在于该测区虽然地形变化不大，但堆场各个小区域的设计标准不一，为使计算结果具有更高的精度，需根据地形条件，合理减小方格网的边长；DTM法的挖填方量计算与参考值之间的误差＜0.5%，差异较小，表明DTM法的计算精确度基本不受地形的限制，始终具有较高的精确性；综合来看，DTM法在精度、适用范围上比方格网法更具优势，可满足不同地形地貌的测算要求。

表3 两种算法与参考真实值的对比误差统计

4 结语

针对大型矿区尾矿堆场的库容测定，可利用无人机航测技术获取测区的精密点云，再利用CASS软件的土方量计算方法得到实际的挖填方量。本文在工程实例中，充分考虑了不同方法的适用范围，对DTM法与方格网法在挖填方量计算中的精确度和性能进行了对比分析。结果表明，对于方格网法，当区域地形设计标准不同时，应采取细化区域的测量方式，调整算法参数以提高计算的准确度；DTM法的测量精度较高，在精度和适用性上均优于方格网法，可满足不同地形地貌的测算要求，为生产经营管理调度提供准确的参考依据。