消費級無人機攝影測量技術(shù)在露天礦山開采監(jiān)測中的應用研究

李睿智，徐 洋

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000）

我國擁有數(shù)千座露天礦山，其產(chǎn)出的礦石、煤炭等資源對我國的經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用，是我國工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料。同時，礦業(yè)產(chǎn)業(yè)也是我國的一個重要支柱產(chǎn)業(yè)，為提高我國經(jīng)濟發(fā)展速度和質(zhì)量，保障國家能源安全和資源安全發(fā)揮了重要作用。露天礦山開采可能會對周圍環(huán)境造成一定影響，包括地表沉降、噪聲振動、產(chǎn)生灰塵等，因此，需要實時了解礦山開采的進度和狀況，監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)礦山中的安全隱患，還能優(yōu)化開采方式，提高開采效率，減少礦業(yè)資源浪費[1-3]。

傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測需要人員進入采礦區(qū)域進行巡查，存在安全隱患，而無人機可以避免人員進入危險區(qū)域，保證巡查過程的安全可靠。因此，巡檢已成為當前礦山監(jiān)測的主要作業(yè)方式，但是傳統(tǒng)的固定翼無人機單次飛行成本較高，且飛手培養(yǎng)難，外業(yè)成本高，安全風險大。而消費級無人機的成本相對較低，維護和操作也比較簡便，可以實現(xiàn)自主飛行，在復雜的飛行環(huán)境下，消費級小型無人機更靈活安全，能夠完成更加靈活的巡檢任務，應用無人機機巢可以遠程對無人機進行操控，自動實現(xiàn)無人機起飛、巡檢、數(shù)據(jù)傳輸和降落充電等功能，為礦山管理提供定期的監(jiān)測巡查和數(shù)據(jù)采集服務。因此，本文主要針對消費級無人機在露天礦山開采監(jiān)測中的應用展開研究。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 消費級無人機

消費級無人機是一種體積小、重量輕、價格較低且易于攜帶和操作的無人飛行器，其主要以個人、業(yè)余愛好者和小規(guī)模應用為主，用途包括拍攝照片和視頻、科學研究、農(nóng)業(yè)及物流配送等。與行業(yè)專用和商用無人機相比，消費級無人機的價格低廉，維護成本低，操作簡單，使得大眾群體也能夠擁有和使用無人機，代表了無人機技術(shù)的大眾化趨勢。目前，市場上的消費級無人機主要有遙控小型飛行器、自主導航追蹤無人機、民用無人機等不同類型，主要還是以簡易的飛行控制器為核心，利用遙控器或智能手機應用程序來控制，常見的消費級無人機品牌有DJI、Parrot、Yuneec 和Syma 等。

1.2 傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是以無人機為飛行平臺，并搭載多角度相機，通過航拍獲取目標物清晰完整的影像數(shù)據(jù)，其改變了傳統(tǒng)航拍技術(shù)的限制，有效提高三維模型生產(chǎn)效率，可以更加清晰反映地面實物的實際情況，大幅度降低了三維建模數(shù)據(jù)獲取的時間、人力和經(jīng)濟成本。如圖1 所示，圖中PP′為相機主光軸，ON 為被攝點的垂直與地平線方向，t 為PP′與ON 的夾角。當傾斜角度5°30°時即為高度傾斜影像[3-4]。

圖1 傾斜攝影傾斜角度示意圖

攝影測量的主要測量對象是地球表面，根據(jù)對地面獲取影像時攝像機安放的位置不同，攝影測量可分為航天攝影測量、航空攝影測量、低空攝影測量和地面攝影測量。低空攝影測量一般航高在100~1000 m 之間，低空攝影測量具有成果快、生產(chǎn)周期短、運作成本低和可操作性強等特點，在危險區(qū)域圖像實時獲取、土地變化監(jiān)測、建筑物違章監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測和應急指揮等方面有著廣泛應用。

1.3 無人機機巢

無人機機巢也叫無人機機庫、無人機機場。傳統(tǒng)的無人機巡檢需要人工現(xiàn)場進行操控，而如果在測區(qū)現(xiàn)場布設(shè)機巢，實現(xiàn)無人機自動起飛、作業(yè)和降落則可以實現(xiàn)礦山開采自動監(jiān)測。根據(jù)無人機的大小，無人機機巢可以分為大型、中型和小型無人機機巢；根據(jù)無人機電池的補能形式，則可以分為充電和換電機巢。本次巡檢主要應用到的是小型、充電型無人機機巢。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及三維模型重建

2.1 作業(yè)區(qū)概況

實驗測區(qū)位于某市偏遠地區(qū)的某小型露天煤礦，礦區(qū)面積約為0.5 km2，按照開采規(guī)劃要求定期采集地勢變化和土地利用情況數(shù)據(jù)，幫助礦山管理者制定管理決策。由于測區(qū)整體面積較小，本項目擬采用消費級無人機，應用Mini 無人機機巢實現(xiàn)礦山自動監(jiān)測。整體技術(shù)流程如圖2 所示，首先監(jiān)測管理人員根據(jù)巡檢需求和礦區(qū)地形情況，確定巡檢范圍和路徑，并將巡檢任務輸入Mini 機巢智能系統(tǒng)中，設(shè)定巡檢內(nèi)容和時間；然后Mini 機巢對無人機下發(fā)巡檢任務，無人機飛行到指定位置后執(zhí)行飛行任務，利用各種傳感器采集相關(guān)數(shù)數(shù)據(jù)信息，并上傳到云端進行分析處理；最后無人機完成飛行計劃，自動返航回到機巢進行充電。

圖2 無人機自動監(jiān)測流程圖

2.2 傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集設(shè)備為大疆御Mavic Air2 無人機，該款無人機僅重570 g，屬于小型多旋翼消費級無人機，主要用于娛樂級航拍。該款無人機懸停垂直和水平精度均為±0.1 m（視覺定位正常工作時）、±0.5 m（GPS 正常工作時）。連拍影像分辨率約為1 200 萬像素，最快飛行速度約為19 m/s（運動檔），最長飛行時間約為34 min。無人機機巢選擇的是智方S10 小型無人機自動機場，體積小、重量輕，長寬高均為0.8 m，本項目將無人機機巢安裝在礦區(qū)某辦公樓樓頂，距離測區(qū)約800 m，無人機及機巢如圖3（a）所示。影像數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)處理應用的都是某云端控制系統(tǒng)，主要包括3 個主要功能。第一，任務規(guī)劃管理。為無人機設(shè)置新的飛行任務，同時也可查看歷史所建飛行任務，并對已保存的任務進行編輯；第二，執(zhí)行任務管理。指派特定的無人機對選擇的任務進行執(zhí)行，包含地圖顯示、在線無人機、待命無人機、任務執(zhí)行及飛行操作等。第三，數(shù)據(jù)管理。對無人機、自動機場、載荷的飛行數(shù)據(jù)和后期處理作業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)果進行存儲，并建立管理庫，方便后期進行數(shù)據(jù)查閱和調(diào)用[5]。

圖3 無人機機巢及傾斜攝影航線設(shè)計

首先應用配套云端控制系統(tǒng)先選定拍攝區(qū)域，然后使用大疆智能飛行器（御Mavic Air2）采集航拍數(shù)據(jù)。航拍過程中需要注意飛行高度、拍攝角度等參數(shù)的設(shè)置，以獲得高質(zhì)量的航拍數(shù)據(jù)，飛行高度均設(shè)置為100 m，相機傾角分別設(shè)置為0°、30°、45°、60°和90°，航線規(guī)劃飛行參數(shù)見表1[6]。

表1 飛行參數(shù)設(shè)置

本次影像數(shù)據(jù)采集航線重疊為80%，旁向重疊為70%，并設(shè)置“井”字型飛行航線進行數(shù)據(jù)采集，航線設(shè)計如圖3（b）所示。

待無人機飛行任務完成后需根據(jù)回傳的影像數(shù)據(jù)進行傾斜實景三維建模，在云端控制系統(tǒng)中選擇“新建任務-三維建模”菜單，填寫任務名稱，然后任務欄里導入采集好的影像數(shù)據(jù)，這里需要導入的是多架次采集的航線拍攝圖片；再進行參數(shù)設(shè)置，包括重建類型、建圖場景、重建清晰度、計算模式和興趣區(qū)域建模等，并進行像控點管理，設(shè)置像控點坐標系，導入像控點進行像控點刺點；最后刺點完成后，退出像控點管理，提交進行三維重建，等待重建完成，即可獲取實景三維模型。本項目建立的實景三維模型如圖4 所示。

圖4 露天礦山實景三維模型

由圖4 可以看出，傾斜實景三維模型航測的范圍涵蓋了整個礦區(qū)，影像成圖分辨率較高，在實景模型上即可對礦山周圍環(huán)境、礦山開采規(guī)模、開采現(xiàn)狀等信息進行全局掌握。

為檢驗三維模型的數(shù)據(jù)精度是否符合規(guī)范要求，本次共選取8 個校對點位進行數(shù)據(jù)的比對檢驗。將模型提取的坐標成果與后期人工實測成果進行對比（表2），平面中誤差不超過0.55 m，高程中誤差不超過0.7 m，參照GB/T 7931—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》對礦區(qū)傾斜攝影測量模型精度規(guī)范，可以看出，基于消費級無人機建立的實景三維模型精度基本滿足相關(guān)礦山監(jiān)測調(diào)查要求。

表2 校對點精度統(tǒng)計表m

3 開采監(jiān)測應用

本項目應用消費級無人機自動執(zhí)行飛行任務、采集影像數(shù)據(jù)回傳并建立實景三維模型，實現(xiàn)礦山多方面監(jiān)測，主要包括以下幾個方面[7-8]。

3.1 工作面和邊坡的監(jiān)測

首先基于礦區(qū)實景三維模型提取出礦山工作面和邊坡的基本信息，采用人工標注的方式，確定礦山工作面和邊坡的位置和范圍，再利用圖像算法和計算機視覺技術(shù)對影像進行處理，提取出礦山工作面和邊坡的邊緣以及特征點，獲得精確的工作面和邊坡的信息；然后進行工作面和邊坡的監(jiān)測，在礦山實景三維模型平臺上，可以實時顯示礦山的開采狀態(tài)、工作面形態(tài)、邊坡位移等數(shù)據(jù)信息；最后進行監(jiān)測分析和反饋，通過對數(shù)據(jù)進行分析和比對，發(fā)現(xiàn)隱含的安全隱患，提前采取措施進行處理，保障礦山生產(chǎn)安全。

3.2 安全監(jiān)測

基于礦區(qū)實景三維模型可以對礦山內(nèi)外環(huán)境的各種信息加以提取和分析，形成各種需要的監(jiān)測參數(shù)，例如巖石表面小型塊狀裂隙矩陣、礦塊挑落傾角、礦山邊坡變形性能等參數(shù)，通過對礦山實景三維模型的監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和比對，為礦區(qū)的生產(chǎn)安全和礦塊資源合理利用提供科學數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)對礦山中存在的安全隱患進行監(jiān)測，包括大型礦坑、豎井、礦井巷道等危險區(qū)域進行觀察，并為人員安全預警提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

基于消費級無人機通過搭載各類氣象監(jiān)測設(shè)備，可以對礦區(qū)氣溫、空氣質(zhì)量、氣壓等氣象數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)測；基于礦山實景三維模型，可以采集礦區(qū)植物的量化信息，如株高、樹冠寬度、葉面積指數(shù)等參數(shù)，并監(jiān)測植被面積、密度覆蓋情況。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和分析可采用礦山大數(shù)據(jù)平臺，配備專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理。

3.4 設(shè)備監(jiān)測

未來還可以使用紅外熱成像技術(shù)，對照明設(shè)備、電氣設(shè)備、機械設(shè)備進行非接觸式的監(jiān)測。通過紅外熱成像可以實時捕捉到設(shè)備表面的溫度變化，從而及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，預防設(shè)備故障和事故。還可以基于礦山實景三維模型建立礦區(qū)設(shè)備管理平臺，記錄設(shè)備設(shè)定維護計劃及維護次數(shù)，并將計劃時刻表建立在監(jiān)測平臺進行追蹤管理；同時，監(jiān)測平臺也可以根據(jù)監(jiān)測到的設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、精準分析，幫助礦工和設(shè)備工程師深入了解設(shè)備運行狀態(tài)的實際情況。

利用消費級無人機進行自動巡檢可以提高礦山的安全性和效率，并且可以大大減少工作人員的風險，為礦山的安全和穩(wěn)定運行提供有力保障。

4 結(jié)束語

綜上所述，使用無人機進行礦山巡檢，可以提高效率、減少安全風險、節(jié)省人力物力資源，但是傳統(tǒng)的固定翼無人機對人員操作技能要求高且不適用于小型礦山巡檢，因此本文將消費級無人機應用到礦山監(jiān)測中實現(xiàn)了礦山自動監(jiān)測。研究結(jié)果表明，消費級無人機進行礦山監(jiān)測可以減少人工監(jiān)測人力成本，提高任務效率，為企業(yè)提供全方位、高分辨率的數(shù)據(jù)支持，幫助礦山管理者更全面、高效地了解礦山開采現(xiàn)場情況，實現(xiàn)礦山開采過程的快速、準確監(jiān)測。