1. 引言
2024年至2025年期间，我单位承担了湖南省的露天矿山执法核查项目，该项目旨在就下达的疑似非法采矿图斑进行现场核查。本文结合执法核查中采用的各项测量手段和方式，对现代测绘技术在露天矿山执法中的应用效果进行分析，旨在探讨不同测量方式在露天矿山执法测量中的应用优势及其适用场景。
2. 矿山执法测量中应用的现代测绘技术
2.1. CORS-RTK
CORS系统(Continuously Operating Reference Stations)即连续运行参考站系统，CORS系统将若干个连续运行GPS参考站均匀布设在一个较大区域内，构成参考站网，在设定的采样率下，各参考站连续接收卫星定位信号，并将接收数据实时传输至数据处理中心，数据处理中心处理各站数据，完成本区域误差改正模型后，生成差分校正信息，通过电信运营商的信号发射塔发送给用户的移动站[1]。
CORS系统是网络RTK (Real Time Kinematic即实时动态测量)系统的基础设施，CORS-RTK设备结合CORS网络发送的差分校正信息与自身接收的GPS卫星信号，进行载波相位观测值的实时差分处理，修正误差，无须另行架设基准站，即可实时得到毫米级精度的定位信息。原理示意图见图1。
Figure 1. Schematic diagram of CORS-RTK equipment principle
图1. CORS-RTK设备原理示意图
2.2. 全站仪
全站仪是以光学测距和精密角度测量为主要工作原理，集光学、机械、电子技术于一体的现代化测量仪器。其具备测角、测距、数据处理及存储等功能，通过向待测点进行激光测距，结合全站仪内置的高精度角度测量装置，直接测得与待测点的斜距、水平角度和垂直角度等信息，数据处理系统根据预设的参数信息即可快速精确计算出待测点的空间坐标，其单点测量精度可达毫米级[2] [3]。
目前较为先进的全站仪多具备免棱镜功能，通过识别待测点漫反射回的激光信号进行测距，不再需要在待测点处放置全反射棱镜[4]，极大地拓宽了全站仪的工作范围，可以安全地对陡壁、采坑边缘等危险或人员无法到达的部位进行测量，同时，其自动化程度极高的作业流程，在保证数据准确可靠的情况下，大大提高了工作效率，降低了人为误差[2] [3]。
2.3. 无人机航空摄影测量
无人机航空摄影测量是一种基于无人机平台搭载光学传感器，通过低空飞行获取多视角影像数据，结合定位定向系统(POS)、地面像控点与摄影测量算法，重建地表三维信息的技术。
POS系统基于DGPS (差分全球定位系统)与IMU (惯性测量单元)，测定摄影瞬间无人机的空间位置与姿态数据，即纬度、经度、高程、偏航角、俯仰角及翻滚角；参考POS数据，依据地面控制点进行空中三角测量，提取不同像片重叠部分的特征点或地面像控点，对像片进行控制点加密，得出像片的精确外方位元素及像片之间的几何关系(如图2)；随后通过影像同名点匹配进行地物三维重建，获得DSM (数字表面模型)，最后，根据航空摄影机的内方位元素、获得的外方位元素以及DSM，对像片进行几何校正，拼合得到DOM (数字正射影像)，并进行三维建模[5]。
Figure 2. Aerial triangulation of regional network using beam method
图2. 光束法区域网空中三角测量
2.4. 三维激光扫描
三维激光扫描技术基于激光测距与极坐标测量原理，通过主动发射激光脉冲并接收反射信号，计算激光发射与接收的时间差确定目标距离，然后根据扫描仪本身的定位信息和仪器参数，记录激光束的水平角和垂直角，结合测距值计算获得目标点的三维坐标，并通过传感器获取目标物体的反射率及色彩信息，形成高密度点云数据，最后通过软件(如大疆智图、CoPre2)进行去噪、配准、抽稀，生成实景三维模型，并提取DEM (数字高程模型)、等高线、巷道平面(立体)图等成果。
3. 实例应用分析
现以本次项目中核查的某矿山为例，就不同现代测绘技术在矿山执法测量中的效率、精度进行对比分析，探讨不同测量方式在露天矿山执法测量中的应用效果及其适用场景。本次采用设备信息见表1。
Table 1. Table of model and accuracy of surveying instruments
表1. 测绘仪器型号及精度表
设备名称 |
型号 |
精度 |
RTK |
南方极点 |
平面测量精度 ± (8 mm + 1 × 10−6 D) 高程测量精度 ± (15 mm + 1 × 10−6 D) |
全站仪 |
南方NTS-342R5A |
测角精度2″ 免棱镜测距精度0~500 m：±(3 mm + 2 × 10−6 D) 500~1000 m：±(5 mm + 2 × 10−6 D) |
无人机 |
大疆MAVIC 3E |
广角：4/3CMOS，2000万像素，3.3 μm像元 长焦：等效焦距162毫米，1200万像素 |
3.1. 测区概况
该矿山在上一周期执法核查中确定了其北部存在越界开采情况，此次分别开展了无人机倾斜摄影测量和全站仪实地测绘，对其越界范围进行测量和超挖土方计算。矿区面积为0.0272 km2，所在区域海拔235 m~358 m，相对高差约123 m。矿山自设立以来，已阶梯式开采多年，台阶面清晰稳固，开采区域及矿石加工厂区地表裸露，通视情况良好；周边区域植被发育，仅采坑顶部外缘基岩出露；北部越界开采区域为开挖陡壁，地形裸露无遮挡。地面条件符合无人机航空摄影测量工作需求。
3.2. CORS-RTK控制测量
因测区为矿山开挖陡壁，测绘人员无法持RTK进行实地测量，此次RTK设备仅用于测设控制点等。现场先为全站仪测设了3个图根控制点；随后在测区外围及中心区域使用油漆喷涂了5个20 cm宽，50 cm × 50 cm大小的“L”形红色标志作为像控点，平滑采集15轮次取得像控点坐标[6] (如图3)，最后在测区范围内，喷涂并测设了10个对照点。因RTK测量数据高程为国家2000椭球的大地高，而矿山的采矿许可证批准范围为1985国家高程基准高程[7]，现场测量后，通过HNCORS平台的坐标转换功能，将测得数据转换为1985国家高程基准高程，以供矿山执法测量使用。
Figure 3. Image control point measurement
图3. 像控点测量
3.3. 全站仪实地测量及数据处理
现场通过全站仪采用极坐标法对越界区域测得了43个碎部点空间信息后，在CASS软件中生成当前地形三角网，与矿山原地形三角网、采矿权批准范围进行对比核算，即可通过方格网法、三角网法等算法算得超深越界超挖矿石方量(如图4)，进而计算得开采资源量。
Figure 4. Calculation earthwork volume by CASS software with grid method
图4. CASS方格网法计算土方量
3.4. 航空摄影测量及其数据处理
航飞前预先将巡查时正射采集生成的DSM文件、矿山及相关厂区外扩100 m后0.155 km2测区范围的KML文件导入无人机存储卡中。在矿山现场加载航线KML文件和DSM文件，设置仿地飞行模式，仿地飞行高度160 m，正射GSD 4.30 cm/pixel，倾斜GSD 6.08 cm/pixel，采用智能摆动拍摄模式，旁向重叠率70%，航向重叠率80%，等距间隔拍照，航线速度15 m/s [6]。航飞执行时通过遥控器实时监控无人机的电池电量、RTK信号状态、风速信息、航线周边障碍物等情况，确保航测的顺利完成，最后获得带POS信息的像片共353张。
本次采用的是大疆智图软件进行无人机数据处理，导入航飞像片和像控点坐标文件，完成像控点刺点并设置好输出坐标系、输出文件类型等必要参数后，软件开始全自动空中三角测量，进而加工输出DSM、DOM和三维模型等成果文件[8]-[10]。无人机RTK航测出来的高程为国家2000椭球的大地高，经过1985高程像控点刺点之后，此时输出的以上DSM、DOM和三维模型文件的高程，已经转换为1985国家高程基准高程，可以直接与采矿许可证范围进行核对。
Figure 5. Analyzing the situation of over-excavation and boundary violations through a three-dimensional model of the mine
图5. 矿山三维模型分析超深越界情况
在CASS中加载三维模型、DOM、采矿权许可证坐标绘制的矿区顶、底板范围，如图5所示，进行套合，通过多角度观察对比，可以立体直观地分析矿山开挖情况和超深越界位置及程度。进而在三维模型中提取超深越界位置的空间信息，与原地形、矿权范围进行对比，计算超挖矿石方量，进而进行开采资源量估算。
3.5. 效率及精度分析
本次测量分别采用全站仪实地测量及无人机倾斜摄影测量2种方式开展工作，进行对比分析。全站仪实地测量：经过图根控制点测设，全站仪架设及碎部点测量，共计耗时28分钟，完成了对越界范围的测量工作，内业资料整理通过CASS软件很快完成了超挖矿石方量计算。无人机倾斜摄影测量：经过前期5个像控点测设，约20分钟航飞作业，后期内业约1小时20分钟的数据加工处理，完成了对越界范围的测量工作并获得了整个矿区的测量数据模型。
本次航空摄影测量按照相关规范要求执行，平面坐标精度符合规范要求，此次着重对无人机航空摄影测量的高程精度进行探讨。通过ArcGIS软件，将实测的43个碎部点及10个对照点对应坐标的航测高程提取出来，与实测高程进行对比，结果见表2。
Table 2. Comparison table of elevation information
表2. 高程信息对比表
点号 |
全站仪/RTK实测值 |
航测高程 H(m) |
差值 (cm) |
备注 |
X(m) |
Y(m) |
H(m) |
1 |
****148.313 |
****360.727 |
327.482 |
327.503 |
−2.1 |
碎部点 |
2 |
****154.024 |
****352.018 |
325.934 |
325.889 |
4.5 |
碎部点 |
3 |
****146.541 |
****353.558 |
325.580 |
325.563 |
1.7 |
碎部点 |
4 |
****140.366 |
****357.325 |
324.966 |
325.062 |
−9.6 |
碎部点 |
5 |
****129.288 |
****359.243 |
323.365 |
323.536 |
−17.1 |
碎部点 |
…… |
…… |
…… |
…… |
…… |
…… |
…… |
43 |
****169.091 |
****334.197 |
312.789 |
312.916 |
−12.7 |
碎部点 |
JC1 |
****133.511 |
****256.518 |
275.399 |
275.434 |
−3.5 |
对照点 |
JC2 |
****197.891 |
****268.725 |
291.262 |
291.291 |
−2.9 |
对照点 |
JC3 |
****102.972 |
****300.652 |
296.085 |
296.069 |
1.6 |
对照点 |
JC4 |
****226.703 |
****229.940 |
296.037 |
296.008 |
2.9 |
对照点 |
JC5 |
****098.936 |
****171.822 |
264.124 |
264.175 |
−5.1 |
对照点 |
JC6 |
****163.166 |
****299.282 |
292.237 |
292.312 |
−7.5 |
对照点 |
JC7 |
****144.611 |
****232.549 |
273.592 |
273.623 |
−3.1 |
对照点 |
JC8 |
****094.196 |
****211.171 |
263.484 |
263.447 |
3.7 |
对照点 |
JC9 |
****172.232 |
****196.475 |
288.399 |
288.427 |
−2.8 |
对照点 |
JC10 |
****200.695 |
****318.803 |
309.079 |
309.113 |
−3.4 |
对照点 |
经过分析统计，43个碎部点及10个对照点高程差绝对值最大为17.6 cm，最小为0.7 cm，平均值7.73 cm，高程中误差±8.95 cm，满足1:2000地形测量的精度要求。
4. 现代测绘技术在矿山执法中的应用效果分析
CORS-RTK结合全站仪进行实地测绘因其测绘精度高、数据可追溯性好、适用范围广的特点，在历年的矿产执法中获得了矿山企业和国土管理部门的普遍认可，具备司法鉴定的权威性，且通过以上数据和以往实践经验对比，在局部小范围的越界开采定量测量中，因无人机航空摄影测量在像控点布设和后续内业数据处理上耗时较多，CORS-RTK + 全站仪测量具有较大的优势。然而因其需要测绘人员长期在矿山现场进行测量，尤其是矿坑边界、底部，存在着垮塌、落石以及人员摔落等风险，对于现场测绘人员具有较大风险。
崔宏兵等人验证了免像控模式下建立的三维立体模型成果符合相关规范的要求，可以实现判定矿山企业是否存在超越矿区批准范围采矿行为的目的[8]；王炳新证明了无人机技术成果的精度符合相关规范要求，可以作为一种可靠的测绘成果为执法部门提供基础数据[11]；结合此次数据对比，可以认为在按照规范进行操作的情况下，无人机航空摄影测量精度已经满足规范的要求，能够作为矿山执法的测量依据。因其现场测量快捷、成果立体直观等优点，无人机航空摄影测量技术在露天矿山执法、地质勘查及区域调查等领域中已得到广泛应用，尤其是大范围或地形陡峭、人员实地测量困难且危险环境中的测量工作，具有明显的优势。随着无人机航空摄影测量技术的发展，目前部分先进机型免像控测量已经可以达到规范要求的精度，然而如图6所示，因可见光摄影无法穿透植被，航测生成的三维模型和DSM模型，都是依据植被表面信息生成，无法采集植被以下地表空间数据，在测量工作中仍具有一定的局限性，并且受气候影响较大，大风天、雨天、雾天及夜晚均无法开展测量工作。
Figure 6. Schematic diagram of the 3D model and DSM model partial of aerial photogrammetry
图6. 航空摄影测量三维模型及DSM模型局部示意图
目前三维激光扫描仪分为机(车)载激光扫描仪、架站式三维激光扫描仪和手持式激光扫描仪，在露天矿山测量中，可采用无人机载激光扫描仪进行测量，配合架站式三维激光扫描仪和手持式激光扫描仪，进行地面补充扫描，最终可获得矿山整体的精细三维模型，且通过颜学铮等人在衡阳市某矿山的实践，论证了三维激光点云数据精度略高于倾斜三维实景数据[12]。同时，基于激光雷达穿透能力强及多回波的特性，扫描仪在植被茂密的地形上可穿透树层，精准获取林下的地形信息，使其测量成果在矿山尤其是植被茂密的矿山测量上，较航空摄影测量具有明显的优势，且激光扫描仪不依赖环境光源，在夜间依然可以开展工作。然而目前高端扫描仪的采购与维护费用远高于航空摄影设备，难以进行广泛普及。
5. 结语
综上所述，全站仪与CORS-RTK设备相配合进行现场实地测绘，是露天矿山执法中传统测绘手段的核心方法，经过长期的实践，已经证明其可靠性，但因其需实地测量，受地形地貌影响，具有一定的危险性和局限性。无人机航空摄影测量、三维激光扫描技术以其远程操控及无人机快速扫描的特性，能够安全快速地进行大范围测量，且经过多方验证，测量精度已经完全符合目前相关规范的要求[6] [8]-[10]。不同的测绘技术各有其优势与劣势，在矿山执法测量工作中，我们可以根据需求，依据不同测绘技术手段的优劣势和使用场景(见表3)，选择不同的方法开展工作，如仅需小范围越界超挖量测算且环境安全时，可采用CORS-RTK直接测量或配合全站仪开展工作；需要对矿山超深越界情况进行判定时，可直接开展无人机倾斜摄影测量，存在超深越界情况则可根据航飞成果直接进行超挖土方量计算；需要对矿山开展整体调查时，可采用三维激光扫描进行扫描建模。随着现代测绘技术的快速发展，如航摄免像控技术、三维激光扫描设备的普及、多源三维模型以及多技术融合[13]等先进测绘技术的发展，将能更好地为矿山执法提供更加精确、直观、高效的测绘技术支撑。
Table 3. Advantages, disadvantages, applicable scenarios, and development directions of different surveying and mapping techniques in mine law enforcement
表3. 不同测绘技术在矿山执法中的优劣情况及其适用场景、发展方向
特性 测绘技术 |
CORS-RTK |
全站仪 |
无人机航空摄影测量 |
三维激光扫描 |
优势 |
1、认可度高 2、测点速度快 3、免控制点直接测量 |
1、认可度高 2、适用范围广，可免棱镜中等距离测量陡坡、峭壁等区域 |
1、现场测量快捷 2、成果立体直观 3、能快速地进行大范围测量 |
1、现场测量快捷 2、成果立体直观 3、受植被影响小 4、可夜间工作 |
劣势 |
1、受信号遮挡影响 2、所测必到，陡壁等无法测量，实地测量，危险性较大 3、大范围测量人工强度大，耗时久 |
1、需配合至少2个控制点进行测量，远处或不通视则需从控制点引导线 2、架站时间较长 3、大范围测量人工强度大，耗时久 |
1、受气候影响较大 2、受植被影响大 3、需测设像控点进行校正 |
1、受气候影响较大 2、价格昂贵 |
适用场景 |
露天无遮挡的平坦区域，能够快速进行点位测量，进行超深判定或超深越界区域信息采集 |
结合CORS-RTK测设的控制点，对矿山进行测量，进行超深判定或超深越界区域信息采集，地形限制较小 |
1、越界判定(正射采集) 2、超深越界判定及挖方测量(倾斜采集) |
1、对植被发育的矿山进行扫描测量 2、空天地一体联合扫描，建立矿山全域模型 |
发展方向 |
融合激光测距仪、惯导及摄影测量技术，实现无接触式测量 |
融合RTK设备的超站仪，露天矿山无需单独测设控制点即可开展测量 |
1、随着免像控技术的发展，无须像控点依然可以达到规范要求的精度 2、随着无人机技术和相机技术的发展，飞得更久，拍得更清晰 3、与三维激光扫描等技术进行融合测量 |
1、随着技术的发展和成本的控制，逐渐进行普及 2、与航空摄影测量等技术进行融合测量 |