淺談無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用

余 梨

（四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川，成都 610000）

1 引言

無(wú)人機(jī)航測(cè)與傳統(tǒng)測(cè)量相比，傳統(tǒng)測(cè)量基本只能獲取一些特征點(diǎn)，不能體現(xiàn)細(xì)致地形地貌，且在測(cè)區(qū)較大的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量投入的人力較大且成果輸出時(shí)間較長(zhǎng)。無(wú)人機(jī)航測(cè)投入人力極少，可以測(cè)攝到一些人員無(wú)法達(dá)到的區(qū)域、航飛時(shí)間短，可生成高辨率點(diǎn)云文件，生成的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)可與CAD軟件無(wú)縫銜接，生成的.Las點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件可與緯地軟件無(wú)縫連接，能夠更有效，更直觀，更快捷的為露天礦山測(cè)量服務(wù)。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量由于飛行成本高，飛行條件苛刻，一直無(wú)法有效的在露天礦山測(cè)量中進(jìn)行應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航測(cè)是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)電池容量不斷加大，電池重量不斷減小，數(shù)碼相機(jī)不斷小型化高清化，無(wú)人機(jī)的民用市場(chǎng)越來(lái)越普及。特別是在垂直固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷成熟的趨勢(shì)下，使得以往飛行條件比較惡劣的露天礦山航測(cè)已經(jīng)變得輕而易舉，實(shí)時(shí)差分技術(shù)與后差分技術(shù)也使得無(wú)人機(jī)航測(cè)精度越來(lái)越高。而且在無(wú)人機(jī)航測(cè)設(shè)備價(jià)格不斷減小的背景下，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)流程

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集一般流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集一般流程為：空域申請(qǐng)、航線設(shè)計(jì)、實(shí)地考察、野外控制測(cè)量及像控測(cè)量、無(wú)人機(jī)組裝測(cè)試、飛行實(shí)施、飛行記錄、數(shù)據(jù)檢查、回收歸置無(wú)人機(jī)。

像控點(diǎn)是控制航空測(cè)量成果平面和高程精度的關(guān)鍵性參數(shù)，其本質(zhì)上是滿(mǎn)足項(xiàng)目坐標(biāo)系需求的精準(zhǔn)RTK測(cè)量點(diǎn)，通常以人工布設(shè)和尋找特征點(diǎn)兩種方式來(lái)明確像控點(diǎn)位置。首先根據(jù)飛行測(cè)量區(qū)域及航線信息，預(yù)先在電腦按航帶均勻規(guī)劃像控點(diǎn)可布設(shè)位置，預(yù)設(shè)點(diǎn)位應(yīng)盡量選取車(chē)輛道路可到達(dá)位置，點(diǎn)位應(yīng)盡量分布均勻，對(duì)邊緣地帶能起到控制作用。其次，測(cè)區(qū)關(guān)鍵部位，均應(yīng)多布設(shè)像控點(diǎn)，以保證重要部位測(cè)控?cái)?shù)據(jù)精度，避免過(guò)多的平高誤差；若因地形限制或時(shí)間限制，預(yù)設(shè)布設(shè)像控點(diǎn)布設(shè)不完善，均應(yīng)在航測(cè)過(guò)后，根據(jù)航飛影像數(shù)據(jù)，尋找合適地面特征點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)補(bǔ)充測(cè)量。

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理一般流程

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）原始數(shù)據(jù)下載包括：影像數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)；

2）設(shè)置測(cè)區(qū)參數(shù)；

3）導(dǎo)入原始數(shù)據(jù):影像數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)；

4）航帶處理。

3.2.2 空中三角測(cè)量

1）影像匹配；

2）無(wú)約束平差；

3）像控點(diǎn)刺點(diǎn)；

4）約束平差;

5）空三加密解算。

3.2.3 成果輸出

可輸出成果有正射影像圖、三維點(diǎn)云、三維地面模型、數(shù)字線劃圖等等。

4 在露天礦山的應(yīng)用

4.1 露天礦山周邊地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

礦山建設(shè)與生產(chǎn)將對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行強(qiáng)烈的改造和破壞，可能將誘發(fā)或引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；這兩方面將給礦山的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)等帶來(lái)較大危險(xiǎn)。傳統(tǒng)礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查主要作業(yè)方法是人工實(shí)地調(diào)查和航片與衛(wèi)片的解譯，前者普遍存在周期長(zhǎng)、成本高、效率低、難覆蓋全部區(qū)域；后者采購(gòu)周期長(zhǎng)、時(shí)相差、分辨率低，且受氣象條件影響大，難以滿(mǎn)足時(shí)間周期緊張、時(shí)效性強(qiáng)的項(xiàng)目。

采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可生成正射影像圖，利用正射影像圖能生動(dòng)直觀、及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)礦山周邊進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的安全隱患，對(duì)已發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體可利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影技術(shù)并可利用三維地表模型進(jìn)行三維可視化的逃生路線設(shè)計(jì)。

4.2 露天礦山方量變化及計(jì)算

利用多期無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)可根據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算開(kāi)采方量。原理如下：在建立好的不規(guī)則三角網(wǎng)中，其每一個(gè)基本單元的核心是組成不規(guī)則三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在開(kāi)采前地表面的三角網(wǎng)中，同時(shí)從每個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)豎直向下引出三條直線，直到與開(kāi)采后的地表面的三角網(wǎng)相交，便形成許多的三棱柱，這時(shí)整個(gè)區(qū)域的土石方地形便形成了由許多連續(xù)但不可微分的三棱柱組成的集合。分別計(jì)算出每個(gè)三棱柱的體積，所有的三棱柱體積之和便是整個(gè)區(qū)域的土石方量。

相交于傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行方量計(jì)算，點(diǎn)間距為厘米的更能反應(yīng)礦山方量變化，更能精準(zhǔn)計(jì)算開(kāi)采方量，掌握礦山儲(chǔ)量變化。效率更高，解決了傳統(tǒng)測(cè)量中很多點(diǎn)位人員無(wú)法到達(dá)以及施測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

4.3 露天礦山地形圖繪制

傳統(tǒng)礦山地形圖測(cè)量采用的全野外數(shù)字測(cè)圖方法，具有投入人員多、效率低等基本缺點(diǎn)，另外該方法受地形條件限制較大，在山地和高山地測(cè)量范圍難度較大，多數(shù)地區(qū)人員無(wú)法到達(dá)，范圍覆蓋后達(dá)到的精度水平也較低，而忽略的地形將為后續(xù)的規(guī)劃、建設(shè)等帶來(lái)安全隱患或工作量統(tǒng)計(jì)缺失。

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的測(cè)量結(jié)果精度完全滿(mǎn)足1:2000地形圖航測(cè)攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范。無(wú)人機(jī)輕便靈活的特點(diǎn)可在項(xiàng)目接收后進(jìn)行快速部署；測(cè)量范圍可在航線設(shè)計(jì)中快速調(diào)整，有效覆蓋礦山周范圍；內(nèi)業(yè)處理可根據(jù)不同需求進(jìn)行不同范圍的處理，并提供正射影像圖、數(shù)字高程圖、數(shù)字格柵圖等多類(lèi)型測(cè)繪產(chǎn)品；成圖處理中可參照國(guó)家基本比例尺地圖圖式進(jìn)行修飾，完成高質(zhì)量的數(shù)字線劃圖。因此，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以快速高效、保證質(zhì)量地完成露天礦山地形測(cè)量工作，并提供高時(shí)效性的露天礦山“4D”測(cè)繪產(chǎn)品。

4.4 坡面角快速獲取技術(shù)

坡面角，即坡面角度，露天礦山采場(chǎng)、排土場(chǎng)各級(jí)臺(tái)階坡面角及尾礦庫(kù)各級(jí)子壩坡面角在其前期設(shè)計(jì)過(guò)程中都有比較嚴(yán)格的要求，通常情況下不能超過(guò)設(shè)計(jì)角度，否則就帶來(lái)垮塌、潰壩等重大隱患。利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)可在電腦中直接量取坡面角，掌握露天礦山安全狀態(tài)。

4.5 匯水面積計(jì)算

礦山匯水面積是礦山行洪能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)參數(shù)，可通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)快速得到礦山匯水面積，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到礦山行洪能力。為露天礦山防汛作出重要作用。

4.6 違章建筑清查

在露天礦山建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中，有時(shí)會(huì)遇到當(dāng)?shù)鼐用裨谝呀?jīng)進(jìn)行征地賠償情況，仍舊進(jìn)行新建房屋，農(nóng)業(yè)建設(shè)等情況，或?qū)е侣短斓V山建設(shè)及運(yùn)營(yíng)受影響，定期進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)生成相應(yīng)地區(qū)高分辨率正射影像圖，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并作相應(yīng)處理。

4.7 BIM技術(shù)應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可將礦山不同時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建檔，留待將來(lái)使用。而且利用礦山點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可進(jìn)行3D設(shè)計(jì)，將使用礦山設(shè)計(jì)，復(fù)墾設(shè)計(jì)更加合理全面。

5 應(yīng)用前景及展望

隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，未來(lái)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)必將在露天礦山產(chǎn)生更多應(yīng)用，而隨著無(wú)人機(jī)的價(jià)格不斷下降，不少礦山也已經(jīng)自行購(gòu)買(mǎi)無(wú)人機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的日常礦山測(cè)量工作，這一劃時(shí)代的技術(shù)，將在礦山的精細(xì)化管理上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。