淺談無人機(jī)技術(shù)在露天礦場開采監(jiān)管中的使用

任碧琦，趙玉琪，張宇棟，張啟隆，胡鑫磊，崔 穎

（遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

隨著科技水平與生活水平不斷提高的同時(shí)，人類和社會(huì)對(duì)各類資源的需求量也不斷增加。礦產(chǎn)資源作為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，礦產(chǎn)資源具有有限性，其開采和使用不規(guī)范以及過度開發(fā)利用造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)并形成環(huán)境破壞，甚至?xí)l(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害，因此需加強(qiáng)對(duì)礦產(chǎn)監(jiān)管工作和人員能力和業(yè)務(wù)水平的要求，使用傳統(tǒng)監(jiān)測方法的礦山普遍存在監(jiān)測難度大、效率較低的情況，照比標(biāo)準(zhǔn)的要求相差較多，大部分礦山采用人工實(shí)地調(diào)查的監(jiān)管方法對(duì)露天采場進(jìn)行監(jiān)管，由于監(jiān)管范圍較廣、地形復(fù)雜多變等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)監(jiān)管手段勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)管周期長，使其精度不能保證，工作人員在礦邊容易出現(xiàn)的滑坡裂隙地帶進(jìn)行檢查測量時(shí)存在著極高的安全風(fēng)險(xiǎn)，露天礦場需要通過高精度且安全的監(jiān)管方式代替人工監(jiān)管，無人機(jī)航測技術(shù)以其快速、高效、高精度等優(yōu)勢，可為礦產(chǎn)開發(fā)監(jiān)管提供有力技術(shù)支撐[1]。

近些年，擁有良好的發(fā)展前景的低空無人機(jī)遙感技術(shù)逐漸成熟。通過飛控計(jì)算機(jī)控制無人機(jī)，為快速、高效地生產(chǎn)高精度的空三加密結(jié)果、數(shù)字正射影像圖（DOM）、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景三維模型等數(shù)字測繪產(chǎn)品，提出一種利用低空無人機(jī)傾斜攝影測量生產(chǎn)途徑[2]。結(jié)合礦山采場的實(shí)際情況，以低空無人機(jī)遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)露天礦場開采進(jìn)行實(shí)時(shí)性的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

1 低空無人機(jī)遙感技術(shù)

近些年來，許多國家十分重視無人機(jī)系統(tǒng)的研究、開發(fā)及應(yīng)用，體積較小的無人機(jī)憑借探測精度高，受地形影響較小的特點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域得到較好的發(fā)展前景。體積小、重量輕、探測精度高的新型傳感器的不斷問世，也使無人機(jī)系統(tǒng)的用途迅速拓展[3]。在無人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，將其與通訊技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，形成具有及時(shí)性，準(zhǔn)確性，操作簡單，生產(chǎn)成本低，精度高的無人機(jī)遙感技術(shù)，準(zhǔn)確及時(shí)地獲取空間數(shù)據(jù)與相關(guān)信息，滿足三維建模的需要。在許多領(lǐng)域內(nèi)，無人機(jī)的身影逐漸變得越來越常見，并被廣泛應(yīng)用在攝影、民用、軍事及地質(zhì)等領(lǐng)域。

電源部分、無人機(jī)機(jī)體、發(fā)射回收部分、數(shù)據(jù)鏈部分、飛控部分、影像部分等構(gòu)成無人機(jī)的主要系統(tǒng)。其中，發(fā)射收回部分負(fù)責(zé)無人機(jī)安全起飛與落地，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)負(fù)責(zé)指令與信息的傳送，以保證及時(shí)有效反饋信息[4]，飛控部分主要完成對(duì)無人機(jī)的飛行命令，影像部分保障對(duì)實(shí)際實(shí)時(shí)情況的捕捉，通過各部分有序工作使得無人機(jī)在各種復(fù)雜地形保障工作的正常完成。輕小的無人機(jī)因精度高等優(yōu)點(diǎn)，使得其在特殊的復(fù)雜地形及輕度惡劣天氣下也能保證監(jiān)管工作的正常完成。

2 應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行露天礦場開采監(jiān)管

露天開采監(jiān)管能夠幫助礦山企業(yè)了解礦山的基本地質(zhì)和環(huán)境狀況，從而預(yù)測礦山地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化趨監(jiān)管勢，針對(duì)礦山區(qū)域可能出現(xiàn)的災(zāi)害類型進(jìn)行預(yù)防，保護(hù)礦山監(jiān)管區(qū)域的自然環(huán)境，提高礦產(chǎn)資源的開采效率[5]。露天開采監(jiān)管通過國家和企業(yè)等不同等級(jí)的部門層層遞進(jìn)，各司其職，對(duì)重點(diǎn)礦山和普通礦山等進(jìn)行全面監(jiān)管、實(shí)地監(jiān)測，從而保障露天采場區(qū)域工作的正常完成。露天礦場的監(jiān)管部門任務(wù)量繁重且監(jiān)管范圍較廣，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式通過人工操縱各類儀器對(duì)工人工作狀態(tài)、邊坡角超限、可綠化覆蓋率、越界超量開采以及破壞性開采礦產(chǎn)資源等一系列生產(chǎn)與安全問題進(jìn)行監(jiān)管。露天礦場的環(huán)境、天氣、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測精度對(duì)工作人員造成較大考驗(yàn)，甚至部分礦場無法提前檢測預(yù)知危險(xiǎn)源，存在突發(fā)性危險(xiǎn)，所以對(duì)監(jiān)管人員的專業(yè)技術(shù)、工作能力及遇到突發(fā)狀況應(yīng)具有的應(yīng)變能力要求較高。露天礦場可為無人機(jī)提供相對(duì)寬闊的工作環(huán)境，使其工作狀態(tài)下拘束性較小，具有優(yōu)越性。如無人機(jī)有損壞，其維修工作也較為便利，成本較低。因而可采用低空無人機(jī)遙感技術(shù)代替耗時(shí)耗力的人工方式進(jìn)行露天礦山的監(jiān)管，并能大幅度地提高工作效率。無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取流程如圖1。

圖1 無人機(jī)低空攝影監(jiān)測工作流程圖

通過無人機(jī)對(duì)工人工作狀態(tài)的畫面進(jìn)行捕捉，可以很大程度解放監(jiān)管人員的工作壓力，達(dá)到省時(shí)省力的目的，同時(shí)提高工人工作的積極性。有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型DEM結(jié)果須基于空三加密成果，密集匹配點(diǎn)云等一系列過程生成，其結(jié)果可以方便地進(jìn)行露天礦山動(dòng)用儲(chǔ)量監(jiān)管[6]，由此可得到DOM提取露天礦山的開采邊界，并與采礦權(quán)證礦界坐標(biāo)對(duì)比，可以判斷是否越界開采。從而提高監(jiān)管效率，并節(jié)約生產(chǎn)成本。

礦山開采監(jiān)管工作意義重大，高效率的監(jiān)管方式會(huì)增強(qiáng)工人工作的積極性、采場整體效率以提高及工作環(huán)境和生產(chǎn)的安全保障，隨之減少監(jiān)管生產(chǎn)成本及礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，同時(shí)須高度重視對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)，降低引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性，達(dá)到礦山的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

（1）露天礦山開采范圍及動(dòng)用儲(chǔ)量可根據(jù)無人機(jī)遙感技術(shù)得到的DEM和DOM成果進(jìn)行監(jiān)管，這種方法更加精準(zhǔn)嚴(yán)密，效率較高，節(jié)省人工工作量，從而減少監(jiān)測生產(chǎn)成本。

（2）輕小的無人機(jī)因具有及時(shí)性、精度高等優(yōu)點(diǎn)，使得其在特殊的復(fù)雜地形及輕度惡劣天氣下也能保證監(jiān)管工作的正常完成，適合在露天礦場的監(jiān)管中使用，并能減少越界和過量開采等違規(guī)行為。

（3）可以通過低空無人機(jī)技術(shù)對(duì)露天礦場開采進(jìn)行監(jiān)管，效率明顯高于傳統(tǒng)的監(jiān)管方法，從而降低監(jiān)管勞動(dòng)強(qiáng)度，降低礦產(chǎn)資源浪費(fèi)的可能，提升采場整體效率，增強(qiáng)工作環(huán)境和生產(chǎn)的安全保障，從而促進(jìn)礦山的可持續(xù)發(fā)展。