基于無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用研究

呂 虎

（赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025450）

隨著無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的完善，無人機(jī)在民用領(lǐng)域，礦山開采領(lǐng)域和其他行業(yè)內(nèi)的發(fā)展日益深入，無人機(jī)遙感測繪技術(shù)成為遙感發(fā)展的重要趨勢之一，其成本相對較為低廉，數(shù)據(jù)獲取速度較快，數(shù)據(jù)采集和處理均非常方便，因此，成為遙感數(shù)據(jù)獲取的重要方式。無人機(jī)遙感平臺的低空遙感具有一定的優(yōu)勢，不會受到不利因素的影響。將其技術(shù)應(yīng)用在礦山測量方面有很大的應(yīng)用價值，其應(yīng)用前景也非常廣泛[1]。

1 無人機(jī)的發(fā)展概述

無人機(jī)是一種無人駕駛的飛機(jī)，其英文縮寫為UAV，利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序，可控制不載人無人機(jī)，其在遙感、監(jiān)測、拍攝、測量等方面均具有特殊的用途，可以完全地或間接地自主操作。無人機(jī)可以勝任一些比較特殊的任務(wù)，比如，人無法到達(dá)的地區(qū)或者有一定危險的地區(qū)，大范圍的航拍或者礦山測量等。

本文著重探討的是Phantom 4 RTK，其由飛行器、遙感器、云臺相機(jī)以及配套的DJI? GS RTK APP組成，具備高精度測繪功能。機(jī)身預(yù)裝機(jī)載D-RTK?，可提供厘米級高精度準(zhǔn)確定位，時間更為精準(zhǔn)的測繪作業(yè)。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)可以實現(xiàn)云臺相機(jī)拍攝，可穩(wěn)定拍攝4K超高清視頻與2000萬像素照片。OCUSYNC?高清圖傳整合于飛行器及遙感器內(nèi)部。

2 無人機(jī)遙感測繪關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像獲取關(guān)鍵技術(shù)

遙感測繪技術(shù)能夠有效地應(yīng)用于礦山測量，非常方便，很好地發(fā)揮無人機(jī)的測量優(yōu)勢，避免不利因素，到達(dá)容易受到天氣影響或者人員難以到達(dá)的地區(qū)。無人機(jī)的數(shù)據(jù)獲取有一定的特點，其數(shù)據(jù)獲取周期較短，一般不受到雨霧、云層等的制約有利于礦場監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性，能夠及時進(jìn)行周期檢測。

無人機(jī)的分辨率較高，其數(shù)據(jù)分辨率與精度密切相關(guān)，可以在1千米以內(nèi)的低空飛行甚至可以直接在地面200米左右高度飛行無人機(jī)上攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，能夠較近距離地拍攝，滿足多種比例尺的測圖精度和監(jiān)測要求。ix4Dmapper 無人機(jī)測繪軟件，轉(zhuǎn)換從無人機(jī)拍攝的影像，能快速地生成高精度、帶地理坐標(biāo)的多維地圖和三維模型。同時使用可調(diào)試的基準(zhǔn)面獲取更精準(zhǔn)的體積計算、等高線繪制等。

無人機(jī)在進(jìn)行礦山測量時，不僅可以快速地測量礦體資源礦產(chǎn)資源等，而且還能及時、準(zhǔn)確地獲取資源的數(shù)量。即使是在危險地區(qū)，也能很好地獲取數(shù)據(jù)，有效降低危險區(qū)域工作人員的傷亡，降低應(yīng)急工作的風(fēng)險，在礦山災(zāi)害危險區(qū)域調(diào)查或監(jiān)測時，能夠很好地獲取相應(yīng)的應(yīng)用效果。由于無人機(jī)的靈活性和高效操作性，對于一些礦山測量時的尾礦庫監(jiān)測，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和調(diào)查等都很有效果，而且能夠靈活地避開霧霾和陰雨天氣的氣象干擾[2]。

2.2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

通過無人機(jī)上的相機(jī)標(biāo)定，可獲得低空遙感系統(tǒng)搭載的數(shù)碼相機(jī)主點坐標(biāo)，這一相機(jī)具有影像畸變矯正功能，能夠利用光學(xué)畸變參數(shù)，通過一定的矯正模型實現(xiàn)畸變矯正。影像經(jīng)過畸變矯正后，逐點偏移為零，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。

無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理還可進(jìn)行快速正射糾正，使用圖形處理器GPU能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的處理功能，提高了無人機(jī)數(shù)據(jù)處理和糾正的速度。無人機(jī)影像獲取的大量數(shù)據(jù)需要快速處理，因此，要求圖形處理器具有強(qiáng)大的并行處理能力，具有高帶寬并且有很好的數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠協(xié)調(diào)糾正精度問題[3]。

無人機(jī)礦山測量時可能需要有大范圍的正射影像拼接，而現(xiàn)有的無人機(jī)拍攝設(shè)備幾乎都能進(jìn)行自動拼接，對于測量區(qū)域的完整性以及飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查核實確定無人機(jī)飛行時的重疊度指標(biāo)，并能夠大范圍地監(jiān)測資源礦產(chǎn)區(qū)域、大范圍礦區(qū)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域等，進(jìn)行全區(qū)域的監(jiān)測和記錄，獲得完整的區(qū)域范圍影像數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測量管理中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字礦山建設(shè)應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)可被應(yīng)用在智慧礦山和數(shù)字礦山的建設(shè)之中，數(shù)字礦山建設(shè)，利用計算機(jī)建立起完善的礦山管理軟件，對于礦山基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)予以架構(gòu)，控制遙感影像和控制點數(shù)據(jù)，并參照礦山地圖數(shù)據(jù)信息，搭建更高程度的數(shù)字模擬模型框架。礦山采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段，已經(jīng)獲取了部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而在使用無人機(jī)遙感監(jiān)測之后，解決了數(shù)字礦山數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵問題，并有效地降低費用，快速獲取滿足數(shù)字礦山建設(shè)的多種需求，并且可以迎合未來礦山建設(shè)過程中不斷更新地圖和影像的實際需要。

3.2 礦山環(huán)境治理應(yīng)用

為了避免大型地質(zhì)災(zāi)害和礦區(qū)災(zāi)害，更好地管理礦山，并且做好老舊礦山的環(huán)境治理工作，在礦山管理和測量時，可能會面臨恢復(fù)建設(shè)的問題，其管理難度較大，恢復(fù)整理效果周期較長。因此，低空無人機(jī)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在這些領(lǐng)域能夠促進(jìn)礦山環(huán)境的治理監(jiān)察，根據(jù)礦山檢查所需要的雷達(dá)數(shù)據(jù)，激光點云數(shù)據(jù)，真彩色數(shù)據(jù)，多光譜數(shù)據(jù)等等，建立遙感數(shù)據(jù)體系，采用定性或定量的方式測算數(shù)據(jù)反饋回來的實時動態(tài)情況，從而能夠為礦山環(huán)境的治理和監(jiān)測提供決策依據(jù)。

3.3 預(yù)警特殊的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害

礦產(chǎn)資源比較富集的地區(qū)，長期的開采可能會使地形發(fā)生一定的改變，有時可能會有一些地質(zhì)災(zāi)害或塌陷問題同步發(fā)生。使用無人機(jī)監(jiān)測可以預(yù)警特殊的礦區(qū)災(zāi)害和地質(zhì)問題，利用無人機(jī)遙感影像飛行或者影像圖經(jīng)過科學(xué)設(shè)計和合理規(guī)劃，既能獲取該礦區(qū)的具體影像，得到精準(zhǔn)的地形圖，同時又能夠監(jiān)控特殊的礦區(qū)地形變化等，利用完善的計算機(jī)模擬系統(tǒng)預(yù)測礦區(qū)未來開采的發(fā)展走勢。如，某礦由于上部中段技術(shù)、規(guī)范、管理及前期民采，未能形成統(tǒng)一規(guī)劃開采，遺留大量礦柱，造成礦產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費。與此同時，十多年的采礦活動留下了大量的采空區(qū)。近年來，隨著礦山生產(chǎn)能力的不斷提高，為了提高開采量，將部分礦柱回收利用，使之變?yōu)榇笮筒煽諈^(qū)，造成地表大面積塌陷。并且隨著采場深度的增加，地質(zhì)條件的惡化，其地壓顯現(xiàn)明顯，對下盤運輸巷道造成嚴(yán)重破壞，甚至全面塌陷，嚴(yán)重影響深部礦體的采場。

3.4 做好礦產(chǎn)資源保護(hù)和監(jiān)測工作

由于礦區(qū)地區(qū)多為山地地形，無人機(jī)可以按照既定設(shè)計進(jìn)行航空飛行，確保飛行質(zhì)量。從而能夠做好礦產(chǎn)的探測工作。利用無人機(jī)近距離飛行取得資源監(jiān)測的第一手資料，如果發(fā)生非法礦山開采工作，破壞礦山生態(tài)環(huán)境，那么就可以立刻采取措施制止無證開采礦山的情況發(fā)生，利用無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)具有一定精度的檢查，空中三角測量的方式，使用立體模型檢查重點檢測控制點和控制點之間的切紙機(jī)，從而能夠使得礦山資源被更好地保護(hù)。為科學(xué)開采提高經(jīng)濟(jì)效益，采用無人駕駛飛機(jī)航空攝影測量(航測)技術(shù)對地表塌陷區(qū)進(jìn)行有效監(jiān)測，保證方便、科學(xué)的連續(xù)監(jiān)測和及時的定點監(jiān)測，輔助支持礦區(qū)開采決策，同時做到防災(zāi)減災(zāi)。

圖1 赤峰山金紅嶺礦業(yè)公司礦產(chǎn)資源檢測

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用分析

赤峰山金紅嶺礦業(yè)公司設(shè)定航測范圍布設(shè)地表像控點，測量的地區(qū)進(jìn)行合理布點，從而能掌控整個礦山的全局，根據(jù)地形特點予以監(jiān)測。測區(qū)范圍內(nèi)控制點的合理分布是必要的，控制點通常位于測區(qū)的四周和中間。重建模型至少需要3個控制點來完成。一般情況下，100張照片大約有6個控制點，更多的控制點對精度也沒有顯著提高(如果高程變化較大，更多的控制點可以提高高程精度)?？刂泣c不能做得太靠近測量區(qū)的邊緣，也不能布設(shè)在一條直線上，以分散在不同的平面高度上。另一個控制點最好是可以在同一時間找到5張圖像(至少要兩張）。

圖2 赤峰山金紅嶺礦業(yè)公司布設(shè)地表像控點

礦山開采工程加大對于礦區(qū)無人機(jī)遙感影像獲取力度，利用礦區(qū)控制點，建立幾何結(jié)構(gòu)，以立體圖形的模擬作為檢查的輔助性手段。利用空中三角測量結(jié)果，重點檢查控制點和檢查點，并且控制無人機(jī)飛行的高度和質(zhì)量，盡可能地使其航拍過程不受到氣象的影響。無人機(jī)測量項目的階段性發(fā)展，能夠更好地控制測量點位，并且保證影像圖數(shù)據(jù)的精度，杜絕野外實測誤差，利用軟件自行提取地面控制點坐標(biāo)和高度[4]。

5 結(jié)論

無人機(jī)可以實現(xiàn)針對礦山特殊情況的低空遙感拍攝，可以對礦產(chǎn)資源進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)礦山環(huán)境監(jiān)測。無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)，降低誤差，實現(xiàn)高精度管理，能夠為礦山?jīng)Q策部門提供實時動態(tài)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，促使其決策更為科學(xué)，也能夠使無人機(jī)礦山測量的應(yīng)用范圍更加廣泛，監(jiān)控災(zāi)害多發(fā)地勢特點，便于有備無患。