無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

王宏沛

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004）

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)理論分析

1.1 遙感技術(shù)概念

遙感技術(shù)主要就是指非接觸、遠(yuǎn)距離的勘測(cè)技術(shù)。在遙感技術(shù)使用期間，需要使用傳感器探測(cè)物體電磁波輻射、發(fā)射特征，并通過(guò)接收及分析此類特征，在遠(yuǎn)距離、非接觸的情況下探測(cè)目標(biāo)物。遙感設(shè)施需要獲取反射、輻射或散射類電磁波，并將此電磁波進(jìn)行提取、判定及加工處理。

在遙感技術(shù)應(yīng)用期間，主要借助人造地球衛(wèi)星、航空等平臺(tái)上的遙感設(shè)施，對(duì)被監(jiān)測(cè)與管理地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、水文條件、生態(tài)資源等進(jìn)行全面監(jiān)控，通過(guò)獲取物體中的電磁波特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體定時(shí)、定位及定量等監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

1.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)主要就是應(yīng)用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器、GPS差分定位技術(shù)以及遙測(cè)遙感技術(shù)，對(duì)國(guó)土資源、自然資源等各數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能化采集、高效處理，建立被監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)模型。

1.3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在不接觸被測(cè)物體的前提下，將物體周邊傳感器信息以數(shù)字或圖形方式展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的全面測(cè)量與探究[1]。收集到的遙感遙測(cè)地理信息是判定未來(lái)礦山建設(shè)條件、建設(shè)制約因素的重要依據(jù)。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，優(yōu)化信息獲取路徑。通過(guò)使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，可以優(yōu)化數(shù)字影像獲取路徑，將相片全部進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過(guò)特定數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行充分利用。同時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有十分顯著的自主性特征，可以依照既定飛行路線完成自主飛行、自主測(cè)量工作，對(duì)航線的控制精準(zhǔn)度更高；第二，測(cè)量精度高。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在實(shí)際使用期間的信息容量大，實(shí)際測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度更高，確實(shí)提升了測(cè)量信息的實(shí)際利用率。由于無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量期間，不需要較多工作人員參與，實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益更高。通常情況下，無(wú)人機(jī)飛行高度可在50m～4000m之間，高度控制精準(zhǔn)度在10m以內(nèi)。無(wú)人機(jī)飛行速度可保持在70～160公里每小時(shí)，在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中獲得的圖像具有極高分辨率；第三，動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。礦山建設(shè)期間的場(chǎng)地條件長(zhǎng)期變化，因此需要配合使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，并對(duì)場(chǎng)地可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)做出準(zhǔn)確預(yù)估[2]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)需要在無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，該系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化水平較高，實(shí)際操作更為簡(jiǎn)便，切實(shí)提升地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)水平；第四，監(jiān)測(cè)范圍廣。在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不會(huì)受到空間或復(fù)雜地形條件的過(guò)多限制。相較于其他監(jiān)測(cè)手段而言，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)更為獨(dú)立，實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍廣，能夠幫助相關(guān)工作者第一時(shí)間獲取到地質(zhì)環(huán)境參數(shù)。由于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在任何條件下均能夠?qū)崟r(shí)回傳視頻信號(hào)、在視頻終端形成清晰圖像，存在于礦山地質(zhì)環(huán)境中的細(xì)微安全隱患問(wèn)題也能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為從根本上提升礦山實(shí)際開(kāi)采的質(zhì)量與效率奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作業(yè)流程

2.1 礦山環(huán)境治理無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)流程

在礦山實(shí)際建設(shè)與運(yùn)營(yíng)工作中，環(huán)境治理工作是重要的管理項(xiàng)目之一，對(duì)礦山能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)意義重大。在將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用在礦山環(huán)境治理過(guò)程中，需要涉及前期準(zhǔn)備、基礎(chǔ)資料檢查、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取、影像處理、成果外業(yè)核實(shí)等環(huán)節(jié)。

無(wú)人機(jī)航拍是無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)之一，在無(wú)人機(jī)起飛前，需要事先收集場(chǎng)地資料、做好空域協(xié)調(diào)工作。對(duì)被拍攝地區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)與規(guī)劃，確定無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地時(shí)間。在礦山地質(zhì)環(huán)境治理期間使用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，需要配合使用無(wú)人機(jī)及自帶軟件系統(tǒng)，收集并處理基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)航行進(jìn)展，發(fā)送相應(yīng)的指令。

2.2 礦山內(nèi)業(yè)工作無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)流程

在無(wú)人機(jī)飛行后，工作人員需要下載并整理相應(yīng)數(shù)據(jù)。對(duì)單片原始影像數(shù)據(jù)、工作流程內(nèi)相機(jī)內(nèi)定、畸變糾正、影像匹配、像控點(diǎn)空中三角測(cè)量、正射影像糾正、環(huán)境整治遙感監(jiān)測(cè)圖像等信息進(jìn)行制作。首先，收集單幅遙感圖像、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、曝光點(diǎn)坐標(biāo)及時(shí)間等，將此些數(shù)據(jù)裝表備用；其次，對(duì)遙感圖像進(jìn)行拼接處理，將眾多單幅圖像拼接成一幅完成的區(qū)域遙感圖像，此圖像可以指具備粗略的地理屬性；最后，將空中三角測(cè)量作為實(shí)際測(cè)量原理。對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正、生成具有地理意義的遙感圖像，提交相應(yīng)的圖像成果。

借助相應(yīng)的圖像處理軟件，對(duì)航拍所獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)處理，生成空間參照的各類形式圖像及數(shù)據(jù)高程模型，編制成簡(jiǎn)單易懂的圖像報(bào)告。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 制作DOM

注重在無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，做好空三加密工作?？杖用苤饕褪窃诹Ⅲw攝影測(cè)量工作中，依照少量以外實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)，確定全部影像外方位元素，對(duì)后續(xù)測(cè)圖成果進(jìn)行加密處理，為相關(guān)工作人員提供內(nèi)業(yè)控制點(diǎn)的平面及高程坐標(biāo)?？杖用芄ぷ髦饕菫榭刂埔巴饪刂泣c(diǎn)提供的絕對(duì)定向點(diǎn)，需要配合使用專用軟件處理數(shù)值，通過(guò)光束法平差計(jì)算空中三角測(cè)量結(jié)果。

生成DEM。DEM的生成工作需要由控制精度及地形高差變化決定。DEM數(shù)值還應(yīng)依照礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行人工修改，剔除誤差數(shù)據(jù)，切實(shí)滿足DOM制作要求。生成DOM。結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感影像，在影像鑲嵌后，對(duì)DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式配準(zhǔn)糾正，提升遙感影像數(shù)據(jù)的利用率。

3.2 變化圖斑信息提取

借助遙感圖像處理軟件，采用監(jiān)督分類方式，對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)數(shù)值內(nèi)部變化信息進(jìn)行初步識(shí)別。其中，礦山環(huán)境信息主要包括礦山開(kāi)采點(diǎn)位置、開(kāi)采情況、開(kāi)采礦種、固體廢棄物分布情況、植被受損程度；礦山開(kāi)發(fā)引起的地質(zhì)災(zāi)害信息主要包括地面沉降范圍、沉降地點(diǎn)、山體垮塌范圍、坍塌位置及滑坡位置。

3.3 野外調(diào)查驗(yàn)證

在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，主要包括野外勘探與野外實(shí)地驗(yàn)證兩項(xiàng)內(nèi)容。通過(guò)細(xì)致分析監(jiān)測(cè)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征，配合使用點(diǎn)線面相結(jié)合的方式，開(kāi)展野外實(shí)地調(diào)查工作，是保證礦山開(kāi)采高質(zhì)高效開(kāi)展的必要手段。

在野外踏勘期間，需要明確監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域，注重驗(yàn)證重點(diǎn)區(qū)域確定的合理性。踏勘時(shí)需要對(duì)礦山進(jìn)行實(shí)地考察，收集相應(yīng)的礦產(chǎn)資料，充分了解被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)礦種類型、位置及規(guī)模。在野外實(shí)地驗(yàn)證過(guò)程中，需要首先做好室內(nèi)信息提取工作。驗(yàn)證室內(nèi)建立的專題信息，確保信息具有一定的準(zhǔn)確性及代表性。對(duì)存在疑問(wèn)的信息進(jìn)行補(bǔ)充與修正。針對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害形成的影響因素，如地形坡度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育程度、植被發(fā)育程度等，在遙感影像圖上圈定可能出現(xiàn)隱患問(wèn)題的地質(zhì)區(qū)域，為后續(xù)礦山開(kāi)采期間應(yīng)急方案的制定提供重要理論依據(jù)。同時(shí)，在使用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)過(guò)程中，可使用GPS技術(shù)、RTK技術(shù)，對(duì)獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致檢查。配合使用抽樣檢查方式，評(píng)估環(huán)境監(jiān)測(cè)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，切實(shí)提升無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)水平。

4 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用效果評(píng)估

本文以某礦山工程為例，該工程具有多年的開(kāi)采歷史，表面構(gòu)筑物已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫及倒塌問(wèn)題。實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中敷設(shè)的管線對(duì)周邊線路及地面造成不利影響。在礦區(qū)實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)生的噪聲及粉塵也使周邊生態(tài)環(huán)境發(fā)生了不同程度變化。僅采用原有環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，無(wú)法充分獲取到礦山周邊環(huán)境的影響情況。因此在對(duì)比分析不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性與經(jīng)濟(jì)適用性后，選擇使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行整體航拍，借助獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，平谷縣有礦山實(shí)際情況。

礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程歷經(jīng)60天，影像數(shù)據(jù)采集為7天、數(shù)據(jù)處理為5天。相較于單一遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用效果更為顯著。

由于無(wú)人機(jī)對(duì)周邊飛行環(huán)境的要求較少，不需要設(shè)置專用機(jī)場(chǎng)及跑道，監(jiān)測(cè)時(shí)的效率更高；無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)成本低廉，系統(tǒng)價(jià)位較低，實(shí)際搬運(yùn)組裝較為便捷，所需花費(fèi)的人力成本較少。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)也能夠快速獲取遙感圖像，從準(zhǔn)備航飛到獲取圖像的周期段，在圖像獲取后能夠立即處理監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性顯著，更加有利于礦山工程石灰?guī)r，水泥灰?guī)r等實(shí)際監(jiān)測(cè)工作高質(zhì)高效開(kāi)展。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以滿足低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)繪內(nèi)業(yè)規(guī)定，其監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)1:500、1:1000、1:2000等大比例尺寸精度要求。

但就目前來(lái)看，在無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)際使用過(guò)程中，還存在以下問(wèn)題亟待解決：第一，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠采集到的影像圖幅小，重疊度與畸變率較大，容易在實(shí)際運(yùn)行期間出現(xiàn)漏拍問(wèn)題，導(dǎo)致后期空三自動(dòng)變化程度與精度下降，相應(yīng)的處理工作較多。在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還是要配合現(xiàn)有或地形圖資料設(shè)置GCP點(diǎn)數(shù)據(jù)與分布區(qū)域，以便從根本上提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的幾何糾正精度；第二，無(wú)人機(jī)需要受飛控系統(tǒng)控制，自身質(zhì)量小、慣性小，飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性無(wú)法從根本上保障。在無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性下降的情況下，采集的數(shù)據(jù)排列并不整齊，需要對(duì)現(xiàn)有飛行硬件平臺(tái)進(jìn)行功能改善，從根本上提高平臺(tái)的穩(wěn)定性；第三，基于當(dāng)前無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)期間存在的各類問(wèn)題，還需要在無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)自動(dòng)化與專題化處理軟件的研發(fā)工作中投入充足的人力，從根本上提高無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水平，增強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的全面性與精準(zhǔn)度。

5 總結(jié)

在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用更為先進(jìn)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)推動(dòng)礦山數(shù)字化建設(shè)工程的意義重大?，F(xiàn)階段無(wú)人機(jī)航拍比例尺寸較多，相應(yīng)的DEM與DOM技術(shù)更加成熟，可以從根本上提高礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的全面性與精準(zhǔn)度。