低空無人機遙感技術及其在礦山測繪中的應用

黃翔濤 丁榮興

（1.江西省國防科技信息和衛(wèi)星應用中心 江西南昌 330000；2.江西省基礎測繪院 江西南昌 330000）

1 引言

近年來，由于經(jīng)濟快速發(fā)展，金屬礦山對各種資源的需求較大，礦石采挖總體發(fā)展逐步常態(tài)化，非法采礦現(xiàn)象日益嚴重。因非法采礦，產(chǎn)生了礦山垃圾侵害了優(yōu)質(zhì)資源，并且森林、草地等綠色資源遭到嚴重破壞，造成很多污染。尾礦的隨意堆放也給地質(zhì)研究帶來了其他問題，如地表水土流失較為嚴重[1]。為了加強礦山建設與管理手段，采用無人機遙感測繪技術手段，采集與處理礦山地形數(shù)據(jù)，建立礦山數(shù)字化模型，提供礦山開采與管理的有效數(shù)據(jù)，推動礦山資源的綜合保護。基于當前礦山的這樣問題，本文以無人機遙感技術在礦山測繪測繪精度與安生生產(chǎn)優(yōu)勢，礦區(qū)資源保護方面和數(shù)字礦山建設方面進行探討。

2 低空無人機遙感概述

無人機與遙感技術的結(jié)合，即無人機遙感技術，是一種先進的傳感技術。是遙感精確測量和無線遙控技術的結(jié)合。它利用通信網(wǎng)絡的技術，GPS定位技術和遙感信息來應用其技術，可以實現(xiàn)智能自動化，以及對土地，資源和環(huán)境信息的快速訪問[2]。它是一種可以實現(xiàn)建模技術和應用程序，并分析應用程序技術的基本功能的技術。

無人機遙感探測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集方法和綜合數(shù)據(jù)后處理兩部分組成[3]。綜合數(shù)據(jù)采集方法是對地面監(jiān)控軟件系統(tǒng)所采用的遙控裝置進行接近和遙控高速飛行控制系統(tǒng)。它使無人機遙感平臺的發(fā)布能夠準確地安裝在無人機飛行平臺上。安裝在無人機飛行平臺上的遙感技術設備可以安裝無人機技術上的遙感應用。各種各樣的傳感器被用來獲取更多關于地面目標的信息?？梢赃@么說傳感器自動采集功能是遙感應用最重要的部分。根據(jù)他們對既定目標的深入研究，可以選擇或高度集成不同類型的紅外傳感器，如數(shù)字單反相機、紅外掃描儀和不同孔徑大小的雷達，如下圖1

圖1 無人機遙感平臺

超低空無人機的遙感信息是一種輕中小型無人機系統(tǒng)。紅外傳感器很小，最大飛行高度小于200米，高速飛行時間小于3.5小時。在科研范圍較小或用于緊急研究任務后。其特點是以無人駕駛飛機為飛行平臺，利用各種類型傳感器來獲取地面的遙感信息。紅外傳感器可以獲取地面衛(wèi)星遙感的其他信息，利用其計算方法和各種圖像技術來實現(xiàn)遙感信息圖像的處理，并根據(jù)規(guī)模需求等一系列算法，開發(fā)出遙感技術圖像獲取技術，可以為各種空間遙感提供技術基礎的綜合數(shù)據(jù)。

3 低空無人機遙感技術應用的優(yōu)勢

3.1機動靈活

超低空單機遙感技術系統(tǒng)體積小、重量輕、機動性強。它還可以有效地防止雨、霧、煙等外界干擾[4]。它還可以快速實時查看結(jié)果，獲得其他材料，在大面積低山海拔地區(qū)具有一定的明顯優(yōu)勢。它還可以用來補充衛(wèi)星的遙感信息。另外，還可以在與緊急情況相關的后續(xù)調(diào)查任務中使用。當待命時間穩(wěn)定后，可以自動巡航并返回指定地點。

3.2獲取高分辨率航空遙感影像

由于低空飛行的實際高度可以設置為比較低的海拔高度，然后使用高精度攝像機鏡頭收集高像素分辨率的衛(wèi)星遙感礦山的靜態(tài)圖像，并將其合并與礦山亮點獲取實時傳輸信息[4]?？梢越?jīng)過特殊算法顯示部分內(nèi)筒。具備高分辨率的的遙感技術數(shù)據(jù)通?？梢砸荒苛巳坏剡M行各種采礦活動的信息獲取，從而可以隨時進行礦產(chǎn)資源檢測和資源的非法采集活動的管理，以及對于各種非法勘探活動具有強大的威懾力量。

3.3飛行控制自動化，操作簡單

無人機遙感系統(tǒng)配備了高精度的導航系統(tǒng)，可以控制系統(tǒng)功能和自動操作工具。起飛前，無人機遙感系統(tǒng)可以根據(jù)預定的中途飛行距離和航線完成自主高速飛行，遙感器可以獲得更多必要的遙感探測數(shù)據(jù)并進行分析，還可以快速，實時地從選定的采礦地點獲取更多最終遙感數(shù)據(jù)，并進行相關調(diào)查。

3.4使用和維護成本低

考慮到設計模式自主開發(fā)過程中的應用技術范圍以及系統(tǒng)正常使用的直接投資費用，低空遙感探測系統(tǒng)的空中飛行平臺提供了一定程度的維護和其他成本的控制，這些成本相比較而言很低，包括系統(tǒng)人員維護所需的材料費用。

3.5危險區(qū)域空中調(diào)查與監(jiān)測

自動飛行平臺不需要人工操作，具有較低的成本?？梢栽诰哂袧撛谖ｋU條件下部署現(xiàn)場測量，跟蹤監(jiān)控和準確的測量。人員身份和設備造成的損失很小，風險很小。如此一來就還可以避免緊急情況下的災難和巨大損失。

4 無人機遙感技術在礦山建設與管理應用分析

4.1數(shù)字礦山建設中的應用

智能礦山和大型數(shù)字礦山是實現(xiàn)礦山信息內(nèi)容和智能管理的關鍵技術手段。使用大型數(shù)字礦山以及使用各種軟件（包括計算機）來建立礦山日常管理服務的含義，旨在實現(xiàn)礦山的數(shù)字升級和智能開發(fā)管理[5]。數(shù)字礦山建設的進步需要礦山的完整信息內(nèi)容以及部分綜合數(shù)據(jù)的部分支持，例如各種圖像的遙感檢測，綜合控制點數(shù)據(jù)，各種采礦地圖顯示和衛(wèi)星寬帶通信基本模型綜合數(shù)據(jù)。此外，還將建立該系統(tǒng)以進行全面的后續(xù)處理和其他相關數(shù)據(jù)的綜合分析，以實現(xiàn)對礦山動態(tài)資源的跟蹤和監(jiān)控，礦山環(huán)境，尾礦池的實時監(jiān)控。包含安全和監(jiān)控系統(tǒng)的綜合分析等技術方面。目前，一些礦山采用的多種方式獲取基礎數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的測量技術，坐標系的建立過時，核心點數(shù)字誤差的問題就出現(xiàn)了。因此，礦山建設近期更新了各種地圖和視頻的最終數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的精密測量儀器設備周期長、成本高、現(xiàn)勢性差。低速飛行等無人機遙感應用的技術直接影響到數(shù)字礦山建設的實際需求，它使得數(shù)字礦山所需的電子數(shù)據(jù)的獲取變得簡單、快速、方便，特別在一些非法采礦方面得到應用。

礦區(qū)測繪工作采用低空傾斜攝影技術，對礦山無證開采區(qū)域進行實地飛行和三維建模，生產(chǎn)高精度三維模型及對應的DOM和DSM,并制作數(shù)字高程模型DEM.在此基礎上運用填挖方法計算前后兩期的DEM之間的地表變化，從而獲得礦山無證開采礦產(chǎn)資源量。DSM與正射影像制作流程如下圖2所示。

圖2 礦區(qū)正射生產(chǎn)流程圖

4.1.1高精度三維模型構(gòu)建

將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及控制點數(shù)據(jù)導入到ContextCapture軟件中進行三維模型構(gòu)建，首先通過自由平差、刺點、帶精確控制點信息的進行區(qū)域網(wǎng)平差，最后再進行三維模型構(gòu)建、生成三維模型數(shù)據(jù)以及對應的DOM,DSM,其中空三加密，平差優(yōu)化以及模型構(gòu)建均由軟件自動處理，經(jīng)過控制網(wǎng)平差優(yōu)化后，礦山無證開采測區(qū)的誤差符合精度要求，最終生成的三維模型數(shù)據(jù)如下圖3所示。

圖3 礦區(qū)開采三維模型圖

4.1.2挖方法計算前后兩期的DEM之間的地表變化

首先采用Arcgis中的空間分析工具，提取調(diào)查區(qū)前期采礦區(qū)地形圖和高程，并將要素文件賦予高程屬性值，其次，根據(jù)高程屬性值將要素文件轉(zhuǎn)換為3D要素，將3D要素通過創(chuàng)建TIN方式構(gòu)建調(diào)查區(qū)三角網(wǎng)。最后采用數(shù)字高程模型轉(zhuǎn)換模擬的方法自然鄰域插值法，將三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成所需要的DEM。調(diào)查區(qū)采礦后DEM實行實地飛行，并經(jīng)過后期建模所得。

4.1.3礦山無證開采礦產(chǎn)資源量計算

通過空間分析綜合運算方式去除巖石表層松散厚度影響，然后利用挖填方工具通過計算采礦區(qū)采礦前后兩期DEM之間地表變化差異，獲取調(diào)查礦產(chǎn)資源被無證開采的變化情況。

4.2礦山環(huán)境治理監(jiān)察

逐步改善和恢復正常的舊礦區(qū)是完成礦區(qū)管理任務和管理的主要內(nèi)容之一。對于這一工作的內(nèi)容經(jīng)常采用的一種方法所需要的時間比較長。有關職能機構(gòu)的管理部門處境艱難。就低空無人機技術而言，可以在小型無人機上安裝多個傳感器以通過預設直接進行測量?？梢詫ΦV山進行大面積多次掃描，還可以獲得各種遙感技術數(shù)據(jù)，例如測量結(jié)果重要區(qū)域的雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)，激光點云數(shù)據(jù)，自然數(shù)據(jù)，光譜范圍綜合數(shù)據(jù)等。并根據(jù)實際情況使用數(shù)字數(shù)據(jù)應用軟件后，將獲得實時動態(tài)和實際條件下所需的所有數(shù)據(jù)，還可以準確定性或定性和定量分析。

4.3礦產(chǎn)資源保護與監(jiān)測

隨著礦產(chǎn)資源和其他資源的開發(fā)利用，隨著礦產(chǎn)資源的減少，礦產(chǎn)資源逐漸變得稀缺，并不可能再生。更合理地利用和進一步開發(fā)優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源，可以避免過度開發(fā)。礦產(chǎn)資源過度開發(fā)的普遍現(xiàn)象是政府職能部門的責任。為了防止無證礦山的開發(fā)，還可以采用尖端技術和各種方法進行有效的管理。無人機遙感探測的技術為資源公司的管理者提供了一條全新的途徑。這種監(jiān)視方法可以通過無人機實現(xiàn)空中、遠程和高速警戒。視頻錄制和高速通勤飛行，是有效監(jiān)管礦山、打擊礦產(chǎn)違法活動，建設生態(tài)環(huán)境提供完整的技術和專業(yè)服務的非常有效的途徑。

5 結(jié)束語

基于低空無人機遙感技術，利用無人機低空飛行測繪技術為礦山無證開采區(qū)域調(diào)查取證、礦產(chǎn)資源量計算提供高效率低成本的作業(yè)方式。由于礦區(qū)地形的特殊性無人機遙感技術可以用來監(jiān)測礦產(chǎn)資源環(huán)境。無人機還可以為相關地方政府提供遙感數(shù)據(jù),以便決策部門提供全面的實時動態(tài)和準確的數(shù)據(jù)[6]。但目前低空無人機遙感技術還未成熟，在許多方面還存在不足，比如飛行高度、續(xù)航能力，姿態(tài)控制能力，全天候以及大范圍動態(tài)監(jiān)測能力較差。提取無證開采礦山的界線過程中非自動化問題。希望從業(yè)人員應該利用無人機遙感測繪技術的優(yōu)勢，提高自身實踐操作能力，確保無人機遙感技術能真正提高測繪效率與質(zhì)量。確保測繪數(shù)據(jù)的精準性。為測繪行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展奠定堅實的基礎。