小型無人機(jī)航空攝影測(cè)量在露天礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)量中的應(yīng)用

阮華萱

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553004）

通過對(duì)我國礦山的地理位置、地形、資源及其綜合利用管理情況和資源開采環(huán)境影響等信息進(jìn)行實(shí)地地質(zhì)勘查和地理測(cè)量，以準(zhǔn)確獲取礦山相關(guān)資源數(shù)據(jù)基本信息和利用資源數(shù)據(jù)是我國礦山地理測(cè)繪的主要研究目的，其重要意義不僅在于全面準(zhǔn)確掌握我國礦山利用資源的基本狀態(tài)信息、利用管理情況、開采質(zhì)量影響、環(huán)境影響等，以此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大型礦山礦產(chǎn)資源的合理配置和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

1 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)是用于搭載無人測(cè)量機(jī)在儀器的一種平臺(tái)，也就是需要滿足所有的搭載無人測(cè)量機(jī)在儀器的各種技術(shù)參數(shù)測(cè)量指標(biāo)上的要求。主要技術(shù)體現(xiàn)在無人機(jī)的空間姿態(tài)定位控制與瞬時(shí)精確定位控制技術(shù)兩個(gè)方面，無人機(jī)空間姿態(tài)定位控制系統(tǒng)同時(shí)獲取了描述測(cè)量瞬時(shí)攝影無人機(jī)的機(jī)體航行橫偏角、俯仰角和飛機(jī)滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)角，其與同時(shí)描述焦點(diǎn)像片測(cè)量空間儀器姿態(tài)的攝像角度等元素之間，存在著相對(duì)應(yīng)定位關(guān)系。

2 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的項(xiàng)目意義

許多礦山的地理位置不佳，通常處于深溝險(xiǎn)壑之中，且礦山分布較為零散，不成片。礦區(qū)環(huán)境惡劣，自然條件較差，使得對(duì)礦區(qū)的監(jiān)測(cè)十分困難，采用傳統(tǒng)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)比較艱難，且監(jiān)測(cè)的時(shí)間比較久，隨著不斷地開采使得對(duì)礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)更加困難。為了適應(yīng)新時(shí)期下礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求，無人機(jī)攝影技術(shù)開始被使用。無人機(jī)輕巧靈動(dòng)的特性能夠最大程度地突破地形限制，對(duì)礦山進(jìn)行全方位拍攝測(cè)量，極大地降低了人力成本。

3 露天礦山小型無人機(jī)航測(cè)存在的問題

（1）儲(chǔ)能電池組的續(xù)航力和性能出現(xiàn)問題.由于小型無人機(jī)的機(jī)身體積及承重負(fù)載能力有限，難以同時(shí)攜帶多塊容量電池，且目前電池的續(xù)航使用性能一般，如鋰離子聚合物容量電池，只能維持在1h左右，對(duì)于占地面積在10km以上的大型工業(yè)礦山而言，難以實(shí)現(xiàn)一次安全且有覆蓋性的礦山航測(cè)管理工作。

（2）測(cè)量的精度控制出現(xiàn)問題。露天礦山進(jìn)行測(cè)量期間，影響小型無人機(jī)獲取航測(cè)影像精度的因素相對(duì)較多，主要與相機(jī)獲取遙測(cè)影像的環(huán)境清晰度、傳感器的元件類型、監(jiān)控點(diǎn)位的布置等因素有關(guān)。露天的采礦區(qū)由于開采工作區(qū)域的地理環(huán)境條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致采礦控制點(diǎn)的管理布設(shè)，往往存在一定的難度，且受室外環(huán)境及采礦車輛的干擾，一定程度上，還會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)獲取的圖像及數(shù)據(jù)信息的處理精度不高，對(duì)于后期的采礦儲(chǔ)量管理計(jì)算及采礦生產(chǎn)設(shè)備調(diào)度等工作有不利影響。

（3）系統(tǒng)測(cè)量處理數(shù)據(jù)時(shí)的處理能力問題。目前，無人機(jī)專用航測(cè)處理平臺(tái)多樣，均需要配套的基礎(chǔ)專用航測(cè)軟件和基礎(chǔ)硬件處理系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)專用數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)處理專用軟件的技術(shù)兼容性差，故在測(cè)量數(shù)據(jù)采集分析和處理過程中，需要同時(shí)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的處理分類化和輸入，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)處理的前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和后期數(shù)據(jù)分析處理工作繁瑣，數(shù)據(jù)處理耗時(shí)長(zhǎng)，專業(yè)性能的要求相對(duì)較高。

4 小型無人機(jī)露天航測(cè)的發(fā)展前景

（1）加強(qiáng)礦區(qū)資源勘查與治理規(guī)劃設(shè)計(jì)。小型無人機(jī)自動(dòng)航測(cè)測(cè)量技術(shù)，不僅可對(duì)那些存在重大安全隱患的被測(cè)區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，而且技術(shù)測(cè)量效率高、成本低。搭載一臺(tái)單反相機(jī)的小型固定翼無人機(jī)，幾個(gè)架次就已經(jīng)可以輕松完成整個(gè)礦區(qū)及其區(qū)域周邊的自然地形以及地貌生態(tài)特征的實(shí)時(shí)測(cè)繪[1]。

（2）負(fù)責(zé)礦山安全生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃編制與現(xiàn)場(chǎng)財(cái)務(wù)管理。小型無人機(jī)實(shí)景航測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)露天礦山的全覆蓋三維實(shí)景建模，獲取整個(gè)露天礦區(qū)的物理地形全貌，及時(shí)監(jiān)測(cè)更新礦區(qū)地形地貌，此技術(shù)是煤礦生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃編制和煤礦施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的重要技術(shù)理論基礎(chǔ)?？梢约皶r(shí)準(zhǔn)確地了解各個(gè)礦區(qū)的宏觀生產(chǎn)采場(chǎng)現(xiàn)狀，如礦區(qū)開采現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)的地理位置、范圍及占地空間變化關(guān)系等，掌握各礦區(qū)主要道路及地下排土場(chǎng)的占地空間分布變化關(guān)系等，亦可對(duì)礦山重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的高標(biāo)準(zhǔn)精度現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)，為進(jìn)行礦山長(zhǎng)期生產(chǎn)開采計(jì)劃編制與現(xiàn)場(chǎng)配礦設(shè)備合理布置設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)，保證礦山生產(chǎn)計(jì)劃與短期生產(chǎn)計(jì)劃得以良好地實(shí)施。

（3）加強(qiáng)礦山生產(chǎn)安全監(jiān)管。小型無人機(jī)采用航測(cè)跟蹤技術(shù)，使得測(cè)量結(jié)果效率高、精度高、性價(jià)比高，且用戶無需多次接觸危險(xiǎn)區(qū)域，就可以實(shí)時(shí)獲得高坡低陡邊坡邊路周邊和局部排土場(chǎng)周圍全域的地形地貌危險(xiǎn)信息，遠(yuǎn)程踏勘可以分析高坡低陡邊路山坡和周圍排土場(chǎng)的山體開裂與滑塌危險(xiǎn)情況，而且所有技術(shù)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視性非常好，為科學(xué)合理地進(jìn)行研究危險(xiǎn)對(duì)策與解決方案奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（4）加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與全封閉式礦坑保護(hù)管理。在我國礦山生產(chǎn)開發(fā)的整個(gè)生命周期，都可以廣泛應(yīng)用到無人機(jī)自動(dòng)航測(cè)監(jiān)控技術(shù)，進(jìn)行礦山露天作業(yè)及其基地周邊的礦山生態(tài)環(huán)境遙測(cè)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種可能的礦山生態(tài)環(huán)境變化影響，從而有效制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策措施和解決方案。

5 小型無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用研究

（1）數(shù)據(jù)處理與質(zhì)檢分析。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用下，需要從數(shù)據(jù)信息處理以及畸變數(shù)據(jù)修正等方面，進(jìn)行綜合控制，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息處理過程中，則需要以數(shù)字加密的方式，對(duì)野外測(cè)定的高程點(diǎn)、平面點(diǎn)等方面審核以及加密處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的進(jìn)一步提升。在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理與控制，則利用平差計(jì)算的方式，對(duì)區(qū)域網(wǎng)平差方面進(jìn)行計(jì)算與分析。完成空間加密下，則可以通過智能匹配的方式，生成三維點(diǎn)云文件，在信息濾波處理的前提下，則可以通過數(shù)據(jù)修正、色彩平衡處理、圖廓裁切等方面進(jìn)行控制。無人機(jī)采用傾斜測(cè)量攝影機(jī)的測(cè)量礦區(qū)技術(shù)，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，航天攝影機(jī)圖像中的細(xì)節(jié)比較清晰，具有一定的影像層次感，并沒有明顯模糊、重影、錯(cuò)位等現(xiàn)象情況，其整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍幾乎可以完全覆蓋整個(gè)傾斜測(cè)量礦區(qū)，有效地反映礦山的長(zhǎng)期實(shí)際生產(chǎn)開采工作情況。在對(duì)各個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行綜合布置與測(cè)量處理中，按照均勻測(cè)點(diǎn)分布、覆蓋整個(gè)主要測(cè)量地區(qū)的技術(shù)方式，對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)篩選與綜合測(cè)量，在對(duì)傾斜平面與傾高程度的檢查點(diǎn)之間，進(jìn)行綜合布設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)針對(duì)傾斜面和攝影機(jī)的測(cè)量，使該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)量水平大幅提升。dom上的平面整體位置成像精度坐標(biāo)檢查工作過程中，則可以采取野外成像實(shí)測(cè)的自動(dòng)方式，將每個(gè)檢查點(diǎn)的平面整體位置精度坐標(biāo)(xi，yi)數(shù)據(jù)輸入發(fā)送到計(jì)算機(jī)，并在每個(gè)dom上自動(dòng)提取每個(gè)鏡像點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，針對(duì)平面位置中的誤差，進(jìn)行計(jì)算與分析。在長(zhǎng)期進(jìn)行天體實(shí)測(cè)中的平面坐標(biāo)與dom，地物位與特征點(diǎn)天體坐標(biāo)等的檢驗(yàn)與測(cè)量分析中，則需要針對(duì)測(cè)量誤差方面進(jìn)行檢驗(yàn)，在山地與高山地區(qū)區(qū)域按照1：1000位比例，其誤差需要控制在0.75m。

（2）測(cè)量精度不足的解決。由于內(nèi)在技術(shù)上的準(zhǔn)備以及外在自然環(huán)境地理?xiàng)l件各種因素的影響，測(cè)繪測(cè)量工作當(dāng)中存在類似盲區(qū)的各種現(xiàn)象往往是難以避免的，盲區(qū)解決方式主要包括：①可以通過在線三角圖像加密以及在線校正法等技術(shù)，對(duì)測(cè)繪影像外的地形方位高度變量結(jié)果進(jìn)行精確計(jì)算，并將圖像干擾大的因素及時(shí)提出，有效地預(yù)測(cè)存在盲區(qū)，對(duì)根據(jù)地形高度不加調(diào)整區(qū)域的導(dǎo)航測(cè)量的結(jié)果，進(jìn)行科學(xué)性的改善。②負(fù)責(zé)外業(yè)地圖調(diào)繪及現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)。對(duì)初步測(cè)繪標(biāo)記結(jié)果顯示中的特定高程以及特定地物等不確定性的區(qū)域地點(diǎn)，進(jìn)行初步測(cè)繪標(biāo)記，或者針對(duì)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，尤其是存在建筑物和植被遮擋的區(qū)域，必須要做好標(biāo)記工作，對(duì)其中存在的不足有效彌補(bǔ)，保證測(cè)繪精確度[2]。

（3）地面控制測(cè)量。地面攝影控制儀的測(cè)量，主要還是依賴于無人像片攝影控制進(jìn)行測(cè)量，是一種提高利用無人機(jī)高空傾斜實(shí)地?cái)z影控制測(cè)量工作精度的有效檢測(cè)措施。在圖像監(jiān)控控制點(diǎn)的測(cè)量過程中，最重要的一環(huán)是進(jìn)行圖像監(jiān)控控制點(diǎn)的合理布置，如果布置不合理，將極大地降低數(shù)字圖像控制數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。因此，為了大大提高使用無人機(jī)地形傾斜影像攝影高度測(cè)量?jī)x的工作效率以及在對(duì)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的質(zhì)量，一般在地形高度變動(dòng)幅度小的變質(zhì)區(qū)域(例如平原地區(qū)等)中就可適當(dāng)?shù)亟档瓦b控監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)測(cè)量密度，而在一些地形高度變化幅度較大的區(qū)域(例如高山地區(qū)峽谷變質(zhì)地貌)中則可適當(dāng)性地增大監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)測(cè)量密度?？傮w上，監(jiān)控地點(diǎn)的整體布設(shè)過程，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：①進(jìn)行監(jiān)控的地點(diǎn)一般主要布設(shè)在容易識(shí)別的山形地物上和地貌上，即所有要布設(shè)的攝影和控制地點(diǎn)必須完全是唯一的，不能存在任何爭(zhēng)議，一般只能布設(shè)在自然地形條件變化較小的地方，諸如山頭、田角等部位；②位于測(cè)繪區(qū)域范圍以外的控點(diǎn)的目的，在于控制測(cè)量整個(gè)測(cè)繪區(qū)域；對(duì)于一個(gè)位于半條圖幅邊緣中部的圖框控線基點(diǎn)一般不應(yīng)布設(shè)在偏離圖框邊部輪廓的航線以外；③針對(duì)位于圖框航線兩側(cè)的控點(diǎn)，一般不應(yīng)布設(shè)在左右，并且偏離航線半徑不應(yīng)小于半條圖框基線長(zhǎng)度的基點(diǎn)范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的不斷優(yōu)化，在各個(gè)領(lǐng)域中起到了良好的應(yīng)用效果。在露天礦山測(cè)繪與監(jiān)測(cè)中，應(yīng)用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，具備了傳統(tǒng)技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，極大地提升了露天礦山測(cè)繪及監(jiān)測(cè)工作效率。在接下來的時(shí)間里，隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)功能將會(huì)更加完善，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在露天礦山施工及其他更多領(lǐng)域的廣泛有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在露天礦山全生命周期中的應(yīng)用，滿足礦山監(jiān)測(cè)及施工等要求。