輕小型無人機(jī)航測技術(shù)在露天礦山中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

張兵兵，張中雷，廖學(xué)燕，孫鈺杰，李 波，崔曉榮

(1.宏大爆破有限公司，廣東 廣州 510623；2.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021；3.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610062)

0 引 言

無人機(jī)航測技術(shù)具有耗時短、數(shù)據(jù)采集精度高、成果三維可視化程度高等特點，已成功應(yīng)用于城市規(guī)劃、農(nóng)林測量、應(yīng)急救災(zāi)、地形地貌測量等方面。李德仁等[1]從無人機(jī)飛行平臺、飛行姿態(tài)控制與導(dǎo)航、傳感器技術(shù)等方面分析了無人機(jī)航測存在的問題及應(yīng)用前景。劉聰?shù)萚2]、章夢霞等[3]分析了露天礦區(qū)的特點，采用低空無人機(jī)遙感測繪技術(shù)，得到了礦山的三維數(shù)字模型，滿足1∶2 000比例尺成圖精度要求。袁修孝等[4]利用自行設(shè)計的GPS輔助低空航攝系統(tǒng)，在大于100 km2的區(qū)域僅布置4個地面控制點，且滿足平地1∶500的地形測圖的精度要求。近幾年，隨著無人機(jī)類型的小型化、系列化開發(fā)取得突破性進(jìn)展，包括固定翼、復(fù)合翼、多旋翼等多種機(jī)型，加上飛行控制系統(tǒng)的智能化、集成化，性價比越來越高，安全性越來越好，操控也更加簡便，基本擺脫了傳統(tǒng)測繪行業(yè)的專業(yè)束縛。新型輕小型無人機(jī)的采購單位、應(yīng)用領(lǐng)域和操作人員均逐步從專業(yè)的“測繪屬性”，轉(zhuǎn)向各行各業(yè)開始普遍推廣應(yīng)用的“大眾屬性”，相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的專用輕小型無人機(jī)測繪系統(tǒng)。

露天礦山地形復(fù)雜多變，導(dǎo)致傳統(tǒng)測量難度大、效率低、成本高，迫切需要一種更為高效快捷的測量手段，應(yīng)用于露天礦山資源開發(fā)的全生命周期中[5-6]。新型輕小型無人機(jī)航測技術(shù)的突破，使之常態(tài)化地自主進(jìn)行無人機(jī)測繪的外業(yè)和內(nèi)業(yè)作業(yè)成為可能。但是，該技術(shù)雖在露天礦山開采領(lǐng)域有不少成功應(yīng)用案例，但仍不普及、不系統(tǒng)、不全面、不深入，沒有充分發(fā)揮新手段、新技術(shù)的優(yōu)勢；未能做到全方位、全周期地應(yīng)用所獲測繪成果，用以提高露天礦山資源開發(fā)利用的技術(shù)管理水平。

綜上所述，總結(jié)新型輕小型無人機(jī)在露天礦山的推廣應(yīng)用情況和成功經(jīng)驗，分析發(fā)展趨勢，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 無人機(jī)航測支撐技術(shù)的發(fā)展

輕小型無人機(jī)航測系統(tǒng)，依賴于無人機(jī)航測相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展和瓶頸突破，特別是無人機(jī)硬件、無人機(jī)飛控系統(tǒng)、測量儀器和測量數(shù)據(jù)處理軟件四個方面。

1.1 無人機(jī)硬件的發(fā)展

近年來，各種復(fù)合高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，如玻璃纖維、碳纖維等逐漸取代傳統(tǒng)材料，使無人機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能高等特點，極大地保證了機(jī)身的穩(wěn)定性和安全性。太陽能電池、新型聚合物電池及混合動力能源應(yīng)用于無人機(jī)動力方面，飛行參數(shù)穩(wěn)定，可更好地滿足航攝飛行的技術(shù)指標(biāo)要求。

基于上述新材料、新動力技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了復(fù)合翼無人機(jī)和多旋翼的無人飛行器兩種新機(jī)型。新型復(fù)合翼無人機(jī)，兼具固定翼飛機(jī)及旋翼直升機(jī)的優(yōu)勢，起飛和降落時通過旋翼升空或降落，其他階段通過固定翼高速飛行，同時較好地保證升降和前拉動力能量的合理分配，有利于無人機(jī)的安全起降與平穩(wěn)飛行，是使用范圍廣、航測效率高的新機(jī)型，主要用于較大區(qū)域的測繪。多旋翼無人機(jī)通過飛行控制器與GPS定位的輔助，改變每個旋翼的轉(zhuǎn)速可達(dá)到精準(zhǔn)控制無人機(jī)姿態(tài)，如懸停、旋轉(zhuǎn)、翻滾等動作，可在短時間內(nèi)到達(dá)指定工作區(qū)域，迅速實現(xiàn)垂直起降操作，具有飛行穩(wěn)定、定位精確、機(jī)動性好、航測精度高、可搭載航測設(shè)備種類多等優(yōu)勢[7-8]。但由于攜帶多個電動機(jī)，導(dǎo)致航測時間相對較短、飛行效率降低，主要用于中小區(qū)域的測繪。

因此，新型無人機(jī)硬件的發(fā)展，首先依靠新材料和新動力能源的基礎(chǔ)技術(shù)支撐，帶動了無人機(jī)機(jī)型的變革和發(fā)展，催生了垂直升降的固定翼無人機(jī)和多旋翼的無人飛行器等新型無人機(jī)；具備價格較低、飛行性能好等屬性，且擺脫了傳統(tǒng)測繪行業(yè)的專業(yè)束縛，是普遍推廣應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，促使了市場競爭機(jī)制的發(fā)揮，加速了無人機(jī)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級。

1.2 無人機(jī)定位與控制技術(shù)的發(fā)展

無人機(jī)是搭載測量儀器的平臺，也需要滿足所搭載測量儀器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要求。主要體現(xiàn)在無人機(jī)的姿態(tài)控制與精確定位技術(shù)兩個方面，無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)獲取了測量瞬時無人機(jī)的航偏角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，其與描述像片空間姿態(tài)的角元素存在對應(yīng)關(guān)系；借助無人機(jī)的精確定位技術(shù)，獲取無人機(jī)在測量瞬間的空間位置，其與測量儀器的攝影中心點空間位置相對固定，可簡單進(jìn)行空間位置換算。

基于無人機(jī)航測實際需求的改變，非線性動態(tài)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制和組合導(dǎo)航等方法的應(yīng)用范圍更廣。通過動態(tài)控制，可從不同方面提高無人機(jī)的飛行性能，降低氣流、干擾源等對無人機(jī)航測過程的影響，保證整個飛行計劃中的控制效果，實現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

在新型輕小型無人機(jī)精確定位方面，實時差分全球定位技術(shù)是一種新型常用的衛(wèi)星定位測量方法，普遍應(yīng)用于飛行速度相對較慢的多旋翼無人機(jī)的精確定位。事后差分全球定位技術(shù)，不能提高導(dǎo)航精度，但是能夠通過事后數(shù)據(jù)處理精確地獲取測量瞬間的無人機(jī)位置，其不必實時進(jìn)行無人機(jī)空間位置的定位計算，因此受衛(wèi)星數(shù)和信號強(qiáng)弱的影響小，普遍應(yīng)用于飛行速度相對較快的固定翼無人機(jī)。

1.3 測量儀器的發(fā)展

隨著高分辨率單鏡頭數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展，機(jī)身質(zhì)量更輕，光學(xué)成像精度和圖像分辨率越來越高，校驗后的單反數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)能夠滿足無人機(jī)低空攝影測量的要求。盡管其并不能直接描繪被測區(qū)域的全貌，但測量效率高，可通過后期的圖像解析復(fù)原被測對象的三維屬性和顏色屬性，是一種經(jīng)濟(jì)且高效的航空測量手段。

各種新型先進(jìn)的傳感器也不斷涌現(xiàn)，如三維激光掃描儀、小型多光譜/超光譜成像技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)、Li-DAR成像技術(shù)等；不僅可以獲取地形地貌，還可實現(xiàn)被測區(qū)域色彩的區(qū)分及危險源的辨識。且高精度傳感器的體積及重量日漸趨于小型化，傳感器的運行也更為平穩(wěn)，可較好地反映被測區(qū)域的清晰畫面，實現(xiàn)實時拍攝的目的，但是測量效率明顯低于低空航測。傳感器的綜合化及模塊化使用，使得測量成圖的精度得以保證，具有高分辨率、色彩豐富的特點，具備飛行控制系統(tǒng)通信、獲取飛行參數(shù)、解算適宜曝光時間、修正曝光時間、實時存儲數(shù)據(jù)等功能，更為智能化。

高性能測量儀器呈現(xiàn)性能更優(yōu)、體積更小的趨勢，不再是搭載能力大、續(xù)航時間長的大中型無人機(jī)的專屬。輕小型無人機(jī)搭載的測量儀器，近年來的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是在測量儀器的小型化、輕型化；二是測量精度和測量效率的提升；三是測量手段的多樣化和集成化，為輕小型無人機(jī)開展高精度航測作業(yè)提供了保障。

1.4 測量數(shù)據(jù)后處理軟件的發(fā)展

無人機(jī)測繪配套的測量數(shù)據(jù)后處理軟件也得到了較快發(fā)展，其種類較多，主要有PixelFac-tory、Inpho、PixelGrid、DPGrid等軟件系統(tǒng)，其基于集群網(wǎng)格化的并行計算，可實現(xiàn)影像的預(yù)處理、自動空三測量、同名點的密集匹配及影像的加工等，實現(xiàn)了測量的簡單化及智能化。常用的空中三角解析法，可實現(xiàn)航測影像的加密處理，將二維航測圖像轉(zhuǎn)化為三維密集點云。此外，立體矢量采集模塊可測制矢量地形圖，接收無人機(jī)航測的圖像。GPS輔助空中三角測量的技術(shù)也有了一定的研究，取代了傳統(tǒng)的地面控制點布設(shè)，可較好地保證測量精度[9]。

綜上所述，四個支撐技術(shù)的發(fā)展與集成創(chuàng)新，使新型輕小型無人機(jī)航測系統(tǒng)具備了優(yōu)越的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，為推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 露天礦山無人機(jī)航測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，輕小型無人機(jī)航測在露天礦山方面的應(yīng)用不斷拓寬，主要包括礦區(qū)監(jiān)測及植被覆綠情況、礦區(qū)地形地貌測量與危險源辨識、土石方量的計量等。

2.1 礦區(qū)監(jiān)測及植被覆綠情況的調(diào)查分析

1) 礦區(qū)的監(jiān)測。輕小型無人機(jī)的一次航測面積可達(dá)5 km2以上，精度高；對于大型礦山而言，一個或幾個架次基本可以滿足測量需求。對于礦區(qū)實際情況的調(diào)查、各種隱患的源頭監(jiān)控[10]、露天礦區(qū)土地復(fù)墾情況及評價等[11]，都有著重要的指導(dǎo)意義。由于礦區(qū)的各種擾動效應(yīng)眾多，應(yīng)考慮不同的測量目的，實現(xiàn)差異化的無人機(jī)傳感器類型選擇。各種高性能及特色相機(jī)的使用，可實現(xiàn)礦區(qū)基礎(chǔ)信息的綜合采集，保證礦區(qū)的監(jiān)測效果。

2) 礦區(qū)植被覆綠情況的調(diào)查。輕小型無人機(jī)可在礦山植被生長區(qū)域進(jìn)行快速拍攝，清楚地了解植被的覆蓋范圍、生長趨勢及植被的成活率等，為后期的植被覆綠的評價及后期計劃的制定提供參考[12]。結(jié)合圖像信息的NDVI植被指數(shù)提取技術(shù)，可獲取露天礦山原生植被及后期植被覆綠的范圍，成活率及植被的種類、生長密度及長勢等，得到植被的變化圖斑[13]。最后，可通過現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析。輕小型無人機(jī)航測在露天礦山植被覆綠情況調(diào)查的應(yīng)用，減少了人工的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，同時保證了檢查的質(zhì)量，有效地改善了礦山植被覆綠的監(jiān)控現(xiàn)狀。

2.2 礦區(qū)地形地貌測量與危險源辨識

1) 露天礦區(qū)的地形地貌測量。輕小型無人機(jī)采用了先進(jìn)遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和通訊技術(shù)等，利用自帶傳感器及數(shù)據(jù)處理軟件，可短時間內(nèi)獲取礦區(qū)的數(shù)字三維模型、等高線分布情況、臺階的實際開采情況等，實現(xiàn)了礦山的數(shù)字化建設(shè)與信息化處理;且航測的精度較高，地表建構(gòu)筑物清晰可見，可滿足礦山1∶2 000的成圖要求。通過地形地貌的測繪，可以清楚直觀地了解采場的全貌及局部情況[14-15]。

2) 邊坡測量及各類危險源的辨識。露天礦山開采的工序復(fù)雜多變，存在著許多安全隱患，可能引起滑坡、泥石流等災(zāi)害，進(jìn)而造成難以挽回的損失。主要有溫度異常區(qū)、不穩(wěn)定邊坡(排土場)、各種污染源等現(xiàn)象。高分辨率衛(wèi)星可快速準(zhǔn)確地獲取礦區(qū)塌陷范圍，清晰地得知細(xì)節(jié)信息，為分析塌陷的影響因素及影響程度等提供數(shù)據(jù)支持。但衛(wèi)星監(jiān)測的成本高，難以實現(xiàn)長時間地監(jiān)控。露天礦山的高溫區(qū)探測方面，三維激光掃描技術(shù)及紅外成像技術(shù)已有了應(yīng)用，但探測成本偏高，測量的效率較低，且不夠安全。

2.3 礦區(qū)土石方量的計量

露天礦山土石方量的確定，對于礦山的生產(chǎn)規(guī)劃及成本監(jiān)控、工程款結(jié)算等，有著重要的意義。輕小型無人機(jī)為礦石方量的計算提供了新的思路，其不受礦山地形的影響，可在短時間內(nèi)獲取相應(yīng)區(qū)域的礦石儲量，快捷方便，可行性高。與計算機(jī)視覺理論結(jié)合，實現(xiàn)了礦山地形地貌的三維模型重建，成本低且測量高效。無人機(jī)測量的方法顯著提高了測量的工作效率，保障了礦堆體積變化的監(jiān)測精度，形成了露天礦山工程量計算評估新模式，較好地滿足了礦山的土石方量計算及生產(chǎn)計劃的要求。

3 露天礦山輕小型無人機(jī)航測存在的問題及應(yīng)用前景

3.1 當(dāng)前存在的問題

1) 電池續(xù)航性能問題。由于輕小型無人機(jī)的機(jī)身體積及承重能力有限，難以攜帶多塊電池，且目前電池的續(xù)航性能一般，如鋰聚合物電池，只能維持在1 h左右，對于面積在10 km2以上的大型礦山而言，難以實現(xiàn)一次安全覆蓋性的航測工作。一定程度上，增加了航測的工作量，且多個架次需要航測路線的局部重疊，造成了不必要的浪費。

2) 測量精度控制問題。露天礦山測量期間，影響輕小型無人機(jī)航測精度的因素較多，主要與獲取影像的清晰度、傳感器的類型、像控點布置等有關(guān)。由于露天礦區(qū)開采區(qū)域的環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致控制點的布設(shè)存在一定的難度，且受環(huán)境及車輛的干擾強(qiáng)，一定程度上導(dǎo)致獲取的圖像及信息的精度不高，對于后期的儲量計算及生產(chǎn)調(diào)度指揮有一定的影響。

此外，傳感器的類型及靈敏度情況，也是影響航測精度的一大因素。數(shù)碼相機(jī)、三維激光掃描儀、激光雷達(dá)等，受制于露天礦山測量的目的，在選取時，應(yīng)進(jìn)行綜合分析。且無人機(jī)航測中，單一的傳感器的應(yīng)用效果并不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3) 測量數(shù)據(jù)處理問題。目前，無人機(jī)航測平臺多樣，均需要配套的專用軟件和硬件系統(tǒng)，測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理軟件的兼容性差，故在數(shù)據(jù)分析和處理過程中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類輸入，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的前期準(zhǔn)備和后期分析工作繁瑣，數(shù)據(jù)耗時長，專業(yè)性要求較高。如何能有效統(tǒng)一、簡化數(shù)據(jù)輸入、輸出的過程和標(biāo)準(zhǔn)，是提高航測數(shù)據(jù)處理效率的重要方面。

3.2 輕小型無人機(jī)露天航測的發(fā)展前景

1) 礦區(qū)勘查與規(guī)劃設(shè)計。輕小型無人機(jī)航測技術(shù)可對存在安全隱患的區(qū)域進(jìn)行測量，而且測量效率高、成本低。搭載單反相機(jī)的固定翼無人機(jī)，幾個架次就可以完成礦區(qū)及其周邊的地形地貌特征的測繪。進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)后處理，可獲得航測區(qū)域的三維或者二維地圖，直接服務(wù)于露天礦山的前期勘探測量、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案編制和露天礦山規(guī)劃設(shè)計等。

2) 礦山生產(chǎn)計劃編制與現(xiàn)場管理。輕小型無人機(jī)航測可實現(xiàn)大型露天礦山的全覆蓋三維建模，獲取整個礦區(qū)的實景全貌，及時更新地形地貌，此是生產(chǎn)計劃編制和施工現(xiàn)場管理的技術(shù)基礎(chǔ)?？梢约皶r而準(zhǔn)確地了解礦區(qū)的宏觀采場現(xiàn)狀，如開采平臺的位置、范圍及空間關(guān)系等，掌握礦區(qū)道路及排土場的空間分布關(guān)系等，亦可對重點區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的高精度航測，為礦山生產(chǎn)計劃編制與現(xiàn)場設(shè)備布置提供依據(jù)，保證長期生產(chǎn)計劃與短期配礦得以良好地實施。

同時，可進(jìn)行施工現(xiàn)場的調(diào)度與管理，例如礦山臨時道路的規(guī)劃與設(shè)計、生產(chǎn)計劃執(zhí)行情況檢查與糾偏、各平臺采剝作業(yè)的計量與管理等，有利于現(xiàn)場調(diào)度員落實生產(chǎn)計劃、合理安排施工設(shè)備，使得現(xiàn)場管理決策更加科學(xué)化、合理化。

3) 復(fù)雜地形測量與工程計量。露天礦山的復(fù)雜地形區(qū)域及存在安全隱患的區(qū)域，例如高陡邊坡區(qū)域、塌方區(qū)域、地下存在不穩(wěn)定采空區(qū)的區(qū)域等，可選擇高精度的無人機(jī)航測方案進(jìn)行精確測量，快速精確地獲取了復(fù)雜區(qū)域、危險區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，生成特定區(qū)域的三維數(shù)字模型，為制定針對性的施工方案和技術(shù)措施奠定基礎(chǔ)。在露天礦山工程計量方面，輕小型無人機(jī)航測系統(tǒng)可有效進(jìn)行工程量的圈定與計量，耗時較短，精度較高，極大地改善了工作環(huán)境，同時提高了工作效率。

4) 礦山安全監(jiān)管。輕小型無人機(jī)航測技術(shù)具有測量效率高、精度高、性價比高的優(yōu)勢，且無需接觸危險區(qū)域就可以獲得高陡邊坡周邊和排土場全域的地形地貌信息，遠(yuǎn)程踏勘分析高陡邊坡和排土場的局部開裂與滑塌情況，而且所有測量數(shù)據(jù)的可視性非常好，為科學(xué)合理地研究對策與方案奠定基礎(chǔ)。另外，借助高效、高精度的航測手段，可獲得采場與多個排土場的空間位置關(guān)系、排土場的堆積形態(tài)、堆積范圍變化等數(shù)據(jù)，及時而精確地反饋排土場的技術(shù)參數(shù)，從而對排土場進(jìn)行排土管理與安全監(jiān)控。同時，可通過對排土場進(jìn)行定期的間歇性航測，對比兩期或多期的航測結(jié)果，分析排土場堆積體的形態(tài)變化與發(fā)展趨勢，對排土場的滑塌等安全隱患進(jìn)行監(jiān)控與預(yù)警。

5) 礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與閉坑管理。在礦山開發(fā)的全生命周期，都可以應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)效率高、成本低、非接觸測量安全性高的優(yōu)勢，進(jìn)行露天礦山及其周邊的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)可能的生態(tài)環(huán)境影響，從而制定環(huán)境保護(hù)措施和方案。隨著國家綠色礦山建設(shè)的不斷推進(jìn)，露天礦山的復(fù)墾復(fù)綠也是礦山生產(chǎn)和閉坑階段的重要內(nèi)容，可利用無人機(jī)攜帶專業(yè)化的傳感器，達(dá)到確定復(fù)綠范圍及植被生長情況等的目的。同時，搭載不同的傳感器，可實現(xiàn)區(qū)域與植被生長情況的統(tǒng)一調(diào)查，分析植被的高度、存活率等，對露天礦山的復(fù)綠工作極為有利。

4 結(jié) 論

1) 輕小型無人機(jī)航測技術(shù)的快速發(fā)展，取決于無人機(jī)硬件系統(tǒng)、定位系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的進(jìn)步、測量儀器性能及數(shù)據(jù)處理軟件四個方面的瓶頸突破。

2) 無人機(jī)航測技術(shù)可較好地生成露天礦山的三維地形地貌，分析礦區(qū)植被覆綠范圍及生長狀態(tài)等，同時也可用于礦區(qū)滑坡等危險源的標(biāo)識及監(jiān)控。相比于傳統(tǒng)的工程量計算方法，其具有較好的優(yōu)勢。

3) 輕小型無人機(jī)存在電池續(xù)航、圖像數(shù)據(jù)精度及數(shù)據(jù)處理的不兼容性等問題，一定程度上制約了在露天礦山航測方面推廣應(yīng)用。本文提出了輕小型無人機(jī)在露天礦山航測發(fā)展前景，可較好地應(yīng)用于露天礦山的全生命周期中。