無人機(jī)低空遙感在礦山測量中的應(yīng)用

李 潔，侯威震

（河南測繪職業(yè)學(xué)院 遙感工程系，河南 鄭州 450000）

隨著現(xiàn)代信息化智能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，無人機(jī)因機(jī)體小、使用靈活以及具有航拍、通信、監(jiān)測等高科技功能，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、氣象、軍事、影視等行業(yè)，而無人駕駛飛行技術(shù)、遙控程控技術(shù)、遙感傳感技術(shù)、通信技術(shù)、GDP差分定位技術(shù)等先進(jìn)遙感技術(shù)是當(dāng)前無人機(jī)低空遙感的核心技術(shù)組成[1]，能夠快速有效地獲取土地、空間環(huán)境及其他資源的遙感信息，在礦山測量方面有其他技術(shù)不可媲美的優(yōu)勢，能有效提高測量工作效率，獲得了廣闊的應(yīng)用前景。

1 無人機(jī)低空遙感工作原理

無人機(jī)低空遙感是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱不載人飛機(jī)，裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備，在地面、艦艇上或母機(jī)遙控站的人員利用雷達(dá)等設(shè)備，對其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸[2]。無人機(jī)低空遙感在執(zhí)行礦山測量任務(wù)時，地面遙控站人員通過接收由無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)處理的無人機(jī)拍攝畫面以及其他數(shù)據(jù)信息，通過配套的實時差分定位（RTK）設(shè)備和系統(tǒng)為礦山測量提供參考依據(jù)。

2 無人機(jī)低空遙感在礦山測量中的功能優(yōu)勢分析

2.1 技術(shù)成本低、操作靈活、安全系數(shù)高

傳統(tǒng)礦山測量投入的人力和物力成本巨大，但無人機(jī)低空遙感在工作時安裝的攝影器材、控制設(shè)備及驅(qū)動能源等成本較低，且很少受外界因素影響，產(chǎn)生的損耗或者破壞相對較小，因此成本也得以降低[3]。

由于有些礦區(qū)環(huán)境非常惡劣、危險重重，通過傳統(tǒng)人力進(jìn)行勘測具有巨大的生命危險，加上礦區(qū)測量范圍小，效率比較低，而采用無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行全面調(diào)查監(jiān)測，在有效避開陰雨或霧霾等氣象因素干擾的情況下，可以達(dá)到其他設(shè)備不能達(dá)到的效果，投入成本顯著降低，工作效果明顯提升[4]。

2.2 監(jiān)測精準(zhǔn)度高，數(shù)據(jù)獲取周期短

無人機(jī)屬于低空飛行器，執(zhí)行任務(wù)時一般可以在1 000 m內(nèi)對地形進(jìn)行近景測量，甚至可以將測量數(shù)據(jù)精確到厘米[5]。在礦區(qū)勘探現(xiàn)場，一些特定目標(biāo)，如尾礦庫、高山密林、地質(zhì)災(zāi)害等重要位置，可以通過高分辨率數(shù)碼相機(jī)及相關(guān)設(shè)備獲取厘米級別的高分辨率影像數(shù)據(jù)，為多種比例礦區(qū)地形測繪方案的制定提供了可靠的參考依據(jù)，提高了相關(guān)工作的質(zhì)量和效果。

2.3 機(jī)動靈活性較強(qiáng)

當(dāng)前，大部分無人機(jī)遙感系統(tǒng)體積不大，且所需攜帶的設(shè)備較輕，所以能夠靈活移動，即使遇到霧霾、陰雨等天氣，也不會受到較大影響，可以在短時間內(nèi)得到礦山特定部位的數(shù)據(jù)，例如在監(jiān)測尾礦庫的過程中調(diào)查此區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害，可以更好地凸顯無人機(jī)遙感系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2.4 自動化飛行控制

現(xiàn)階段，無人機(jī)中使用的飛行控制系統(tǒng)可以讓無人機(jī)根據(jù)瀏覽圖像中事先確定的點位飛行，其飛行能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，無需安排專門的工作人員時刻監(jiān)測其飛行狀態(tài)。就算電量不足也會事先自動返航，避免產(chǎn)生不及時傳輸或本體丟失等問題，所以外界因素不會對其產(chǎn)生過大干擾。當(dāng)前，大部分礦山區(qū)域地形較為復(fù)雜，在高山密林中使用無人機(jī)可以更好地發(fā)揮其獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，確保其采集到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)或分辨率較高的圖像后順利返航。

3 無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 影像畸變校正

無人機(jī)搭載的相機(jī)組合低空遙感系統(tǒng)，利用校正軟件，在圖像輸入上結(jié)合相機(jī)的焦距、光學(xué)畸變參數(shù)及主點坐標(biāo)等數(shù)據(jù)模型進(jìn)行定向修改，如若出現(xiàn)失真的情況，則需要開展二次糾正工作，同時將控制點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)自動提取出來。校正完畢后，模型的數(shù)據(jù)不但比較完整，而且能夠保障主點偏移量一直處于特定數(shù)值，讓后期數(shù)據(jù)處置工作更真實可靠。

3.2 快速正射糾正

無人機(jī)低空遙感在圖形處理上一改傳統(tǒng)圖形處理速度慢、精度低的困局，其高寬帶數(shù)據(jù)傳輸和中央處理器（Central Processing Unit，CPU）的強(qiáng)大優(yōu)勢可以快速糾正無人機(jī)在飛行過程中所拍攝的一切影像，提高圖形精度。通過合理使用圖形處理器，可以讓無人機(jī)并行處理能力大幅提升，加之其具備高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)點，讓后續(xù)數(shù)據(jù)的獲取更加便捷。可以使用處理器將無人機(jī)飛行環(huán)節(jié)拍攝到的全部影像進(jìn)行正射糾正，和以往的CPU處理器相比，處理效率顯著提高。

3.3 幾何糾正

在制作完數(shù)字正射影像圖以后，還需要用控制點對影像進(jìn)行幾何糾正，直到其擬合進(jìn)度與0.3 mm以下的繪圖要求相符。采用礦區(qū)控制點的精度又關(guān)系到幾何糾正的質(zhì)量，而低空遙感技術(shù)的幾何糾正精確度很高，能夠滿足礦區(qū)各種比例尺影像圖的要求，其質(zhì)量與高程平面控制點的合適度有關(guān)。運用幾何糾正可以獲得與高程數(shù)據(jù)需求相符的平面控制點，達(dá)到繪制礦區(qū)中比例尺影像圖的要求，為后期開采礦產(chǎn)資源提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.4 正射影像拼接自動化

為了確保測區(qū)數(shù)據(jù)的完整性，在正射影像糾正后還需要進(jìn)行測繪區(qū)域范圍內(nèi)的正射影像拼接工作。目前，無人機(jī)低空遙感的拍攝設(shè)備可以對測區(qū)的正射影像進(jìn)行自動拼接，對大范圍礦區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害隱患高風(fēng)險區(qū)域可以進(jìn)行全區(qū)域的監(jiān)測和記錄，保證區(qū)域范圍影像數(shù)據(jù)的完整性。值得注意的是，在觀測與檢查正射影像的過程中，需要盡可能確保點位精準(zhǔn)、色調(diào)協(xié)調(diào)，同時需要將其和規(guī)定的平面圖質(zhì)量要求進(jìn)行比較，確認(rèn)其與繪圖要求一致后，方可運用相應(yīng)數(shù)據(jù)。

4 無人機(jī)低空遙感技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

4.1 在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用

通過利用計算機(jī)3D建模系統(tǒng)對遙感影像、控制點數(shù)據(jù)、各礦山圖件及數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)建立數(shù)字礦山管理軟件系統(tǒng)、相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等，可實現(xiàn)礦山的數(shù)字化和智能化管理，特別是對礦山環(huán)境監(jiān)測、礦山動態(tài)資源監(jiān)測、尾礦庫安全監(jiān)測等。傳統(tǒng)測量技術(shù)獲取基礎(chǔ)信息周期長、技術(shù)投入成本高，陳舊的坐標(biāo)和系統(tǒng)影響了測量精確度，而無人機(jī)低空遙感測繪技術(shù)操作靈活方便，可以有效、快速獲取建設(shè)數(shù)字礦山所需的各種電子數(shù)據(jù)。

4.2 礦山環(huán)境的治理監(jiān)察

礦山開發(fā)會造成不同程度的環(huán)境破壞和污染，對老舊礦山進(jìn)行恢復(fù)建設(shè)和環(huán)境治理是礦山管理的重要內(nèi)容，但舊礦區(qū)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患大、地勢環(huán)境惡劣等嚴(yán)重制約了礦山管理工作的開展。無人機(jī)低空遙感技術(shù)通過低空傳感設(shè)備和技術(shù)快速獲取礦山中的激光點云數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、真彩色數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)等遙感數(shù)據(jù)信息，通過傳感設(shè)備回收后，經(jīng)計算機(jī)相關(guān)軟件處理可以得出礦山全面真實的動態(tài)圖像數(shù)據(jù)，提高礦山管理工作的有效真實參考率。

4.3 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警

礦區(qū)由于開采的破壞容易發(fā)生山體滑坡、礦井塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，利用無人機(jī)遙感影像可以實時動態(tài)監(jiān)控礦區(qū)的地形地貌變化情況，并通過影像繪制精準(zhǔn)的地形圖，為礦區(qū)安全管理部門及時提供地形圖像和相關(guān)變化數(shù)據(jù)。通過無人機(jī)低空遙感技術(shù)，礦區(qū)中的采空區(qū)、易塌陷區(qū)、礦柱等容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域可以得到實時監(jiān)控，及時為生產(chǎn)部門提供有效預(yù)警信息，確保礦山測量和開采的安全。使用無人機(jī)遙感影像飛行或影像圖，通過合理規(guī)劃與設(shè)計，不僅可以采集到此礦區(qū)的實際影像，獲得準(zhǔn)確的地形圖，還可以對特殊地區(qū)地形變化進(jìn)行監(jiān)控，運用計算機(jī)模擬系統(tǒng)對礦區(qū)開采的發(fā)展動態(tài)實施預(yù)測。

4.4 礦產(chǎn)資源保護(hù)與監(jiān)測

“十八大”以來，生態(tài)環(huán)境保護(hù)已成為國家重要工作內(nèi)容，國家大力打擊對礦山資源的私采、盜采、過度開發(fā)等違法行為，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在礦產(chǎn)資源保護(hù)和監(jiān)測中發(fā)揮了作用。因為大部分礦區(qū)都處于山地中，無人機(jī)能夠根據(jù)事先制定的線路飛行，保證飛行質(zhì)量，進(jìn)而將礦產(chǎn)的探測工作落實到位，若出現(xiàn)違法開采、破壞生態(tài)環(huán)境等行為，就能馬上采取措施。利用無人機(jī)音頻系統(tǒng)、攝像功能，在執(zhí)法人員無法深入現(xiàn)場對礦區(qū)進(jìn)行執(zhí)法勘查時，讓執(zhí)法人員查看指定點的實時視頻，并通過衛(wèi)星接收傳播系統(tǒng)將現(xiàn)場圖像直接傳輸?shù)娇偛亢头乐笓]中心，讓執(zhí)法人員全面了解礦區(qū)破壞情況，最大限度地保證礦區(qū)保護(hù)的準(zhǔn)確、及時、科學(xué)。

5 應(yīng)用無人機(jī)低空遙感注意事項

（1）在應(yīng)用無人機(jī)低空遙感的過程中，操作技術(shù)人員必須熟練掌握無人機(jī)的操作流程，對無人機(jī)續(xù)航、攝像遇到的突發(fā)狀況等進(jìn)行全面分析，確保無人機(jī)能被科學(xué)地操控，在有限的運行時間內(nèi)發(fā)揮最大的作用，保證其盡可能在現(xiàn)場使用完畢后安全返回，減少無人機(jī)因故障問題折損的現(xiàn)象。（2）操作人員遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)工作，應(yīng)通過無人機(jī)傳輸?shù)男畔⒅贫ㄗ顑?yōu)礦山測量方案，提高測量工作效率，降低無人機(jī)續(xù)航消耗。（3）及時設(shè)定信號接收裝置，將無人機(jī)空中攝錄時因受一定范圍限制而影響遠(yuǎn)端傳輸?shù)牟涣加绊懡抵磷畹停_保終端能夠準(zhǔn)確接收信息，為總指揮臺設(shè)備開展圖像測繪、云射等工作提供可靠的參考依據(jù)。（4）做好無人機(jī)低空遙感應(yīng)用工作總結(jié)，對無人機(jī)低空遙感應(yīng)用技術(shù)繼續(xù)深入研究。操作人員應(yīng)根據(jù)無人機(jī)低空遙感返回的信息并結(jié)合相關(guān)工作實踐進(jìn)行總結(jié)，提升技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)合理性，為后續(xù)提高精準(zhǔn)性和創(chuàng)新工作提供參考，保障無人機(jī)低空遙感技術(shù)的先進(jìn)性。

6 結(jié)語

作為高科技產(chǎn)物，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在4D產(chǎn)品生產(chǎn)、小范圍測區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速獲取、大批量圖像連接方面有其他技術(shù)不可比擬的功能優(yōu)勢，其機(jī)體小巧、操作簡單和成本較低，通過操作人員的科學(xué)規(guī)范操作使用，無人機(jī)搭載不同種類的傳感器對礦山資源進(jìn)行高精度的測量和監(jiān)管，為相關(guān)礦產(chǎn)企業(yè)或國家部門提供動態(tài)實時精準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，有效提高了礦山測量和監(jiān)管的工作效率。