無人機(jī)在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

郭 陽

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司新巴爾虎右旗分公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021300）

0 引言

隨著無人機(jī)測繪技術(shù)的發(fā)展，在露天礦山監(jiān)測中，無人機(jī)測繪技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)露天礦山測繪監(jiān)測技術(shù)手段，應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行測繪監(jiān)測，不僅有效提升了監(jiān)測效率，同時提升了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與有效性。因此有必要對無人機(jī)在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，推動礦產(chǎn)開采產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展。

1 無人機(jī)航測在露天礦山監(jiān)測中的作用

無人機(jī)航測以遙感數(shù)據(jù)為主，與常規(guī)測繪技術(shù)手段相比，在測繪方面有著更高的空間分辨率，且測繪效率更高，測繪結(jié)果也更加準(zhǔn)確。無人機(jī)航測技術(shù)中比較常見的有大比例尺航測、傾斜攝影、三維建模等，其中傾斜攝影技術(shù)屬于應(yīng)用比較廣泛的低空攝影測量技術(shù)，該攝影技術(shù)非常適合在礦山復(fù)雜場景中進(jìn)行攝影監(jiān)測。借助專業(yè)航測軟件，能夠?qū)β短斓V山航測數(shù)據(jù)進(jìn)行局域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配處理，最終生成實(shí)景三維模型等成果數(shù)據(jù)；能夠?qū)⒙短斓V山的地形、位置、高度等關(guān)鍵信息全面反映出來，本身有著非常好的可視化效果；能夠準(zhǔn)確描述露天礦山的幾何特征，全面展現(xiàn)礦山各種資源的利用現(xiàn)狀。無人機(jī)傾斜攝影測繪成果包括DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）、DLG（Digital Line Graphic，數(shù)字線化圖）和DOM（Document Object Model，數(shù)字正射影像）等，還能結(jié)合礦山的實(shí)際需要，針對無人機(jī)航測數(shù)據(jù)成果進(jìn)行更深入的分析研究，從中發(fā)掘出更多與礦山相關(guān)的信息，無人機(jī)在露天礦山監(jiān)測技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測繪流程

2 案例分析

2.1 露天礦山測區(qū)概況

本次研究選擇礦區(qū)為東西走向，礦區(qū)總占地面積4.359 km2，所屬山脈最低海拔227 m，最高海拔865 m。

2.2 數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)采集前，需要先做好無人機(jī)航線設(shè)計(jì)。在本次研究中，選擇覆蓋礦區(qū)從低到高所有海拔高度范圍，無人機(jī)起降點(diǎn)海拔設(shè)置為625 m，為確保后期能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理，在充分考慮無人機(jī)續(xù)航能力以及實(shí)際測區(qū)面積后，確定本次航線設(shè)計(jì)方案。首先，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為70%，設(shè)置13 條無人機(jī)飛行航線，獲得了399 張圖片，需要4.98 GB 內(nèi)存，具體航線規(guī)劃如圖2 所示。在此基礎(chǔ)上，還需要做好無人機(jī)調(diào)試工作，檢查無人機(jī)性能是否完好，并進(jìn)行試飛行，在確保無人機(jī)無故障后，才能正式進(jìn)行航測。完成數(shù)據(jù)采集后，還需要進(jìn)行影像數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，為有效提高檢查效率與準(zhǔn)確性，可以在軟件的幫助下，借助其影像數(shù)據(jù)快速檢查功能，快速發(fā)現(xiàn)航測數(shù)據(jù)影像是否存在缺失、角度偏移等問題，針對存在的航測影像數(shù)據(jù)缺失問題，可直接在作業(yè)現(xiàn)場完成補(bǔ)測。最后，對采集到的數(shù)據(jù)影像進(jìn)行預(yù)處理，最終生產(chǎn)二維或三維航測產(chǎn)品。

圖2 無人機(jī)航線規(guī)劃

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）以礦區(qū)范圍線為依據(jù)，通過適當(dāng)外擴(kuò)，實(shí)施傾斜攝影航攝設(shè)計(jì)，在采礦區(qū)以外，做好像控點(diǎn)的布設(shè)，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測時間節(jié)點(diǎn)完成航攝作業(yè)，最終能夠獲得高分辨率DOM。通過DOM 了解當(dāng)下礦區(qū)露天開采是否存在越界情況，為礦區(qū)外業(yè)檢查提供數(shù)據(jù)支持。在上述過程中，針對采礦審批范圍坐標(biāo)，需要先進(jìn)行展點(diǎn)處理，然后套合礦區(qū)DOM 數(shù)據(jù)，在人工解譯的幫助下即可對礦區(qū)實(shí)際開采范圍是否存在越界問題進(jìn)行初步了解與判斷，如圖3 所示。

圖3 紅線套合監(jiān)測示意

（2）對無人機(jī)航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，可以借助軟件，同時引入?yún)^(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)校準(zhǔn)無人機(jī)航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。針對地面控制點(diǎn)，軟件能提供相應(yīng)精度，然后結(jié)合實(shí)際像控點(diǎn)坐標(biāo)以及攝影圖像特點(diǎn)，在算法的幫助下，針對相鄰航測圖片相似特征，完成針對性計(jì)算，最終獲得航測圖像的三維點(diǎn)云。針對數(shù)字柵格模型，要先進(jìn)行過濾處理，可采用噪波過濾和平滑表面方法實(shí)現(xiàn)；針對生成的DOM 影像，要做好人工檢查，然后進(jìn)行投影切換，最終獲得數(shù)字表面模型，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)數(shù)字地面模型

（3）檢驗(yàn)無人機(jī)航測成果質(zhì)量精度。首先是區(qū)域空三誤差。在區(qū)域網(wǎng)中，通常有著比較均勻的精度，區(qū)域邊界附近一般存在最弱點(diǎn)。本次無人機(jī)航測監(jiān)控采用SONY ILCE-7R 相機(jī)，最高3700 萬像素，在研究范圍內(nèi)，區(qū)域網(wǎng)空三誤差為0.193 像素。然后是相機(jī)誤差的自校驗(yàn)。實(shí)際校驗(yàn)過程主要包括以下內(nèi)容：針對相機(jī)焦距優(yōu)化值參數(shù)與初始值參數(shù)，應(yīng)保證二者相差盡可能小，如果誤差大于1 mm，攝影圖像會存在扭曲問題。本次露天礦山無人機(jī)監(jiān)測中，通過相機(jī)焦距誤差自校驗(yàn)，誤差為0.38 mm，滿足誤差要求，能確保無人機(jī)攝影成像清晰可靠。其次，還應(yīng)做好相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化。優(yōu)化前，相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)X 為17.6 mm，Y 為11.685 mm；優(yōu)化后，相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)X 為17.285 mm，優(yōu)化了0.315 mm，Y 為11.629 mm，優(yōu)化了0.056 mm，滿足限差范圍要求。最后，還需要檢驗(yàn)絕對地理定位誤差。在本研究區(qū)內(nèi)，針對絕對地理定位誤差，共設(shè)置了3 個方向，其中x 方向誤差為0.328 m，y 方向誤差為0.357 m，z 方向誤差為1.058 m，該定位精度能夠滿足礦山露天無人機(jī)監(jiān)測實(shí)際需求。

2.4 監(jiān)測結(jié)果分析

通過本次無人機(jī)露天礦山監(jiān)測，可對礦山資源開發(fā)現(xiàn)狀有一個具體的了解。首先，礦山采場實(shí)際占地0.573 8 km2，占地比例為13.16%，中轉(zhuǎn)場占地面積為0.028 km2，占地比例為0.64%；固體廢棄物占地面積為0.685 3 km2，占地比例為15.7%；礦山共有30 座建筑，占地面積僅為8335 m2，比例在1%以內(nèi)。其中在固體廢棄物中，干堆尾砂分布比較散亂，需要進(jìn)一步加強(qiáng)管理。

在露天礦區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化分析過程中采用了軟件，同時將DSM 數(shù)據(jù)作為地形數(shù)據(jù)，DOM 作為影像數(shù)據(jù)，利用軟件的紋理映射功能，將DOM 數(shù)據(jù)與DSM 數(shù)據(jù)組合在一起，最終形成三維圖像（圖5）。

圖5 露天礦山三維效果圖

該露天礦山共有18 處干堆尾砂，利用軟件可計(jì)算出干堆尾砂的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高程值，在此基礎(chǔ)上，通過完成露天礦山DOM 圖像的加載，然后重新建一個圖元，完成干堆尾砂范圍繪制，并計(jì)算出干堆尾砂面積。再加載DSM 圖像，提供高程數(shù)據(jù)，即可完成干堆尾砂土方量的計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 露天礦山干堆尾砂參數(shù)

3 結(jié)語

在露天礦山監(jiān)測中，無人機(jī)航測技術(shù)發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。因此需要提高對無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用的重視，并結(jié)合實(shí)際案例，對無人機(jī)在露天礦山中如何進(jìn)行監(jiān)測應(yīng)用進(jìn)行探討分析，推動無人機(jī)航測技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中發(fā)揮更大的作用。