無(wú)人機(jī)技術(shù)在金屬礦山測(cè)繪中的應(yīng)用研究

李 磊

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)，河北 保定 071025）

金屬礦山測(cè)量作為工程測(cè)量領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，有效提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，不僅關(guān)系著社會(huì)發(fā)展以及科技進(jìn)步，同時(shí)也影響著人們生活品質(zhì)的提升。近年來(lái)，我國(guó)工程測(cè)量技術(shù)工藝在不斷的發(fā)展過(guò)程中得到了很大程度的改善和升級(jí)，尤其是無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)手段，融合了多種先進(jìn)的理念和工藝，使得測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性有了很大程度的保障，將其運(yùn)用到金屬礦山測(cè)量工作中，可以大幅縮短測(cè)量周期，降低成本投入力度，同時(shí)也能有效提升外業(yè)影像數(shù)據(jù)資料的采集質(zhì)量以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精準(zhǔn)度，為后續(xù)的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的參考和指導(dǎo)。

1 金屬礦山測(cè)量的必要性

當(dāng)前社會(huì)發(fā)展迫切需要開(kāi)采更多的金屬資源，這給金屬礦山開(kāi)采作業(yè)提出了更高的要求。在實(shí)際見(jiàn)金屬資源開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中，由于礦山企業(yè)為了追求更高的效益，會(huì)盲目無(wú)節(jié)制的實(shí)施開(kāi)采作業(yè)，沒(méi)有進(jìn)行有效的前期測(cè)量，導(dǎo)致金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，不僅給企業(yè)發(fā)展造成嚴(yán)重的困擾[1]，同時(shí)也威脅到工作人員的人身安全，因此實(shí)施有效的金屬礦山測(cè)量就顯得尤為關(guān)鍵，可以有效規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題出現(xiàn)的概率，確保金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采的安全性和可靠性，詳細(xì)體現(xiàn)如下：第一，金屬礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中除了可能對(duì)地形地貌等產(chǎn)生影響以外，還伴隨著大量廢氣、廢物產(chǎn)生，給周?chē)V山生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?duì)地下水資源產(chǎn)生干擾，所以實(shí)際當(dāng)中需要結(jié)合先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)手段，有效防止開(kāi)發(fā)利用對(duì)礦山環(huán)境產(chǎn)生干擾和影響；第二，受到測(cè)量技術(shù)等方面的限制和影響，很多金屬礦山開(kāi)發(fā)利用仍然存在很大的困擾，所以有必要研發(fā)新型的測(cè)量技術(shù)手段，創(chuàng)新金屬礦山測(cè)量工藝，確保資料開(kāi)發(fā)利用水平的不斷提升。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 影像分辨率高

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是北斗系統(tǒng)的普及運(yùn)用，大幅提升了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)的測(cè)繪精準(zhǔn)度和可靠性，誕生了包括車(chē)載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的多種先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)，這給無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)化和升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。對(duì)于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)而言，其融合了GPS定位技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)等在內(nèi)的多種功能優(yōu)勢(shì)，不僅提升了測(cè)量效率和質(zhì)量水平，同時(shí)在影像數(shù)據(jù)分辨率方面也發(fā)揮出很大的優(yōu)勢(shì)。一般而言，廣泛運(yùn)用到工程測(cè)量領(lǐng)域當(dāng)中的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，其測(cè)量產(chǎn)生的影像資料分辨率可達(dá)到厘米級(jí)，為后續(xù)決策分析的準(zhǔn)確性提供了有效指導(dǎo)。不僅如此，相對(duì)比傳統(tǒng)的工程測(cè)量技術(shù)手段，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)由于不需要人工直接參與到測(cè)量作業(yè)當(dāng)中，僅需遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)設(shè)備即可完成攝影測(cè)量，所以避免了很多外業(yè)測(cè)量環(huán)節(jié)，相應(yīng)的誤差出現(xiàn)概率大幅降低，在很大復(fù)雜地形區(qū)域的測(cè)量作業(yè)中得到較為廣泛的運(yùn)用，例如露天礦山地質(zhì)測(cè)量、災(zāi)害應(yīng)急測(cè)量等領(lǐng)域。

2.2 影像數(shù)據(jù)采集效率高

將無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)運(yùn)用到金屬礦山測(cè)量領(lǐng)域當(dāng)中，通過(guò)攝影所得到的影像數(shù)據(jù)資料，為后續(xù)金屬礦產(chǎn)資源的勘查和開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。在金屬礦山實(shí)施航空攝影過(guò)程中，主要以外業(yè)數(shù)據(jù)獲取為重點(diǎn)，為了避免外業(yè)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)受到多方面因素的干擾和影響，實(shí)際當(dāng)中需要在最短的時(shí)間里測(cè)量出大量的影像資料[3]。而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在該領(lǐng)域的運(yùn)用，通常僅需要3d～5d即可實(shí)現(xiàn)大范圍礦山區(qū)域的外業(yè)影像數(shù)據(jù)獲取，相對(duì)比以往的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，有效縮短了測(cè)量周期，同時(shí)減輕了人員的工作量和壓力。

2.3 數(shù)據(jù)處理快速可靠

在金屬礦山實(shí)際開(kāi)展測(cè)量作業(yè)中，無(wú)論使用到哪一種技術(shù)手段，實(shí)施過(guò)程中都不可避免會(huì)涉及到數(shù)據(jù)資料的處理和分析。但是面對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)當(dāng)中的的數(shù)據(jù)處理方法顯然無(wú)法滿(mǎn)足精準(zhǔn)性和便捷性的要求，而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)等功能優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)處理方面發(fā)揮出顯著的作用效果，詳細(xì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，該技術(shù)在實(shí)際獲取影像數(shù)據(jù)資料時(shí)，主要以航拍影像和POS數(shù)據(jù)等方式為主，采集、傳輸以及存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)基本都是自動(dòng)化完成，減輕了手動(dòng)錄入信息數(shù)據(jù)的弊端和困惑，降低了數(shù)據(jù)處理過(guò)程出現(xiàn)的失誤概率，同時(shí)也大幅減少了人工作業(yè)強(qiáng)度[4]；第二，所獲取的遙感數(shù)據(jù)信息具備統(tǒng)一的坐標(biāo)體系，在對(duì)該數(shù)據(jù)信息實(shí)施處理過(guò)程中，避免了坐標(biāo)體系相互轉(zhuǎn)換的困擾；第三，數(shù)據(jù)資料在格式方面具備統(tǒng)一性，在后續(xù)處理過(guò)程中僅需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波以及去噪處理即可，不僅操作便捷，同時(shí)也有效確保了后續(xù)空三加密工作的高效開(kāi)展。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益較高

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在金屬航空測(cè)量中的運(yùn)用，其優(yōu)勢(shì)除了體現(xiàn)在功能特性以外，還具備顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，詳細(xì)包括以下幾點(diǎn)：第一，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)集GPS定位技術(shù)、圖像整合技術(shù)以及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)等于一體，在金屬礦山測(cè)量作業(yè)中具備快速、高效的效果和優(yōu)勢(shì)，縮短了測(cè)量作業(yè)周期，降低了成本投入[5]；第二，由于測(cè)量周期大幅縮短，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)相關(guān)配套的裝備使用率有效提升，確保設(shè)備在較短的時(shí)間內(nèi)獲取更高的收益，對(duì)于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益意義重大。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)在金屬礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用要點(diǎn)

3.1.1 作業(yè)流程

在實(shí)際結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)開(kāi)展金屬礦山測(cè)量工作中，獲取區(qū)域地形地貌信息是重點(diǎn)，在此之前還需要開(kāi)展一系列的準(zhǔn)備工作，包括外業(yè)勘測(cè)、航拍路線(xiàn)設(shè)計(jì)等等，詳細(xì)的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)量流程

（1）設(shè)計(jì)航線(xiàn)和控制點(diǎn)：無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)運(yùn)用之前，一般需要結(jié)合金屬礦區(qū)的實(shí)際地形地貌等特征參數(shù)，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航線(xiàn)，防止對(duì)后續(xù)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾和影響。通常而言，在對(duì)大面積金屬礦山實(shí)施測(cè)量作業(yè)時(shí)，為了盡可能的提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要結(jié)合實(shí)際情況將金屬礦區(qū)劃分為多個(gè)區(qū)域?qū)嵤﹩为?dú)測(cè)量，在此過(guò)程中為了避免無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)運(yùn)用出現(xiàn)留白，還需要對(duì)旁向重疊度和航向重疊度等參數(shù)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，并且對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)路線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)注，為后續(xù)無(wú)人機(jī)測(cè)量工作開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

（2）空中三角加密處理：雖然無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲取大量的影像數(shù)據(jù)資料，但是如果金屬礦山區(qū)域地形地貌比較復(fù)雜，加之周?chē)罅恐脖坏母采w影像，此時(shí)會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的實(shí)施產(chǎn)生很大的干擾和影像，不僅導(dǎo)致測(cè)量精準(zhǔn)度降低，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)留白問(wèn)題的發(fā)生。針對(duì)于此，在實(shí)際當(dāng)中需要采用空中三角加密測(cè)量的方式進(jìn)行處理，以達(dá)到提升測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性目的。該處理方式的關(guān)鍵在于以影像方位為基礎(chǔ)和前提，對(duì)數(shù)據(jù)信息實(shí)施計(jì)算和預(yù)測(cè)，并且結(jié)合先進(jìn)的軟件設(shè)備，提升數(shù)據(jù)計(jì)算處理的效率和質(zhì)量，剔除相關(guān)因素的干擾和影像，同時(shí)防止無(wú)人機(jī)留白問(wèn)題的出現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理和成果圖件輸出：利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取金屬礦山地形地貌影像數(shù)據(jù)資料時(shí)，所采集到的數(shù)據(jù)信息一般具備多樣化特征，包括地形信息、周?chē)脖恍畔⒌?，如此海量的?shù)據(jù)信息資料顯著提升了后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度，給無(wú)人機(jī)航測(cè)精準(zhǔn)度的提升造成一定的困擾。不僅如此，影像數(shù)據(jù)信息的拼接以及像控點(diǎn)的聯(lián)測(cè)等作為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)，要想有效確保數(shù)據(jù)處理結(jié)果質(zhì)量，還需要在初步完成這些操作后，將結(jié)果導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)的繪圖軟件當(dāng)中，結(jié)合內(nèi)定向、相機(jī)畸變等處理，最終輸出高質(zhì)量的成果圖，此時(shí)交由專(zhuān)業(yè)的工作人員進(jìn)行核實(shí)和檢查，一旦發(fā)現(xiàn)精準(zhǔn)度問(wèn)題，要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或者重測(cè)，直至符合檢查要求后，方可進(jìn)行成果資料的提交操作。

（4）成果精度分析：所謂成果精度分析，是檢測(cè)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)結(jié)果的關(guān)鍵步驟，在實(shí)際運(yùn)用到金屬礦山測(cè)量作業(yè)中時(shí)，要綜合多方面因素對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)得到的成果資料進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，有效確保整體測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度和可靠性。

3.1.2 礦山地形測(cè)繪

現(xiàn)代化金屬礦山測(cè)繪作業(yè)開(kāi)展中，結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)主要以獲取基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)信息為主，包括遙感影像資料、地形地貌圖像以及高程模型等等，在以往的測(cè)繪作業(yè)開(kāi)展中主要運(yùn)用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，而由于很多金屬礦區(qū)地處位置十分偏僻，區(qū)域地形地貌比較復(fù)雜多變，在基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資料獲取方面只能粗略進(jìn)行采集，導(dǎo)致基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)信息自身的準(zhǔn)確性和可靠性受到影響，難以結(jié)合數(shù)據(jù)信息全面掌握金屬礦山的情況，給后續(xù)金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用造成困擾。對(duì)于新型的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，其可以有效彌補(bǔ)上述存在的不足，確?；A(chǔ)性數(shù)據(jù)信息獲取的全面性和準(zhǔn)確性，適用于特別復(fù)雜多變的金屬礦區(qū)環(huán)境測(cè)量當(dāng)中，有效為后續(xù)的資源開(kāi)發(fā)利用提供指導(dǎo)和依據(jù)。

3.1.3 保護(hù)礦山資源和環(huán)境

金屬礦山開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)造成破壞和影響，所以后續(xù)需要制定有效的環(huán)境整治方案，確保生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)正常。在生態(tài)系統(tǒng)后期恢復(fù)過(guò)程中，涉及到一系列的數(shù)據(jù)信息采集工作，傳統(tǒng)的人工勘察難以符合既定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，所以無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)便成為主要的技術(shù)手段，被運(yùn)用到金屬礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)測(cè)量工作當(dāng)中，在實(shí)際中主要結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)檢查，通過(guò)飛行器當(dāng)中的傳感器裝置明確具體的待檢區(qū)域后，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的遠(yuǎn)程影像資料采集，在通過(guò)專(zhuān)門(mén)軟件的處理后，工作人員可以直觀(guān)立體的掌握礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況，然后以此為依據(jù)制定相應(yīng)的環(huán)境恢復(fù)策略，確保提高金屬礦山生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除此之外，金屬礦產(chǎn)資源作為稀缺的不可再生資源，其開(kāi)發(fā)和利用必須要有所節(jié)制，為了避免出現(xiàn)隨意開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，相關(guān)環(huán)境監(jiān)管部門(mén)可以利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)實(shí)施金屬礦山的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，及時(shí)掌握金屬礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用情況，以達(dá)到保護(hù)資源的實(shí)質(zhì)性目的。

3.2 應(yīng)用實(shí)踐

3.2.1 礦區(qū)概況

為了全面掌握金屬礦山地形地貌以及金屬資源的儲(chǔ)量情況，本次研究結(jié)合某金屬礦山實(shí)例，運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)采集區(qū)域影像數(shù)據(jù)資料，然后構(gòu)建萬(wàn)維模型，并且通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期的模型情況，直觀(guān)立體的掌握相關(guān)信息。該金屬礦區(qū)的相關(guān)參數(shù)信息如下：礦區(qū)面積2.5km2，屬于丘陵地帶，觀(guān)測(cè)區(qū)域海拔+460m～650m，高差190m。根據(jù)金屬礦區(qū)的實(shí)際情況，本次研究選擇大疆精靈4P無(wú)人機(jī)實(shí)施具體的測(cè)繪作業(yè)，實(shí)際當(dāng)中需要構(gòu)建1∶1000的礦區(qū)三維模型[6]。

3.2.2 像片控制測(cè)量

該金屬礦區(qū)航測(cè)點(diǎn)位主要采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方式，間隔40cm～50cm布設(shè)一個(gè)像片控制點(diǎn)，整個(gè)礦區(qū)共計(jì)布設(shè)14個(gè)點(diǎn)位，其中4個(gè)用于空三檢查，10個(gè)用于平差計(jì)算。對(duì)于像片控制點(diǎn)測(cè)量方法，主要以無(wú)人機(jī)+RTK測(cè)量為主，使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系實(shí)施處理。經(jīng)過(guò)檢查，采用的像控制點(diǎn)高程、平面中誤差分別為34mm、23mm，滿(mǎn)足測(cè)量規(guī)范要求。

3.2.3 三維模型構(gòu)建

圖2為依據(jù)航空測(cè)量數(shù)據(jù)處理得到的三維模型，首先需要采用大疆無(wú)人機(jī)獲取到的航空測(cè)量相片，隨后將測(cè)量相片導(dǎo)入到Smart 3D處理軟件中，通過(guò)空三計(jì)算將同點(diǎn)名匹配并自動(dòng)生成，形成三維模型。采用I-Data軟件可以直接在三維模型上進(jìn)行數(shù)劃線(xiàn)等操作[7]，同時(shí)可以將不同時(shí)期獲取到的三維模型進(jìn)行疊加比對(duì)，如此可以更加直觀(guān)的完成模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析工作。

圖2 金屬礦山三維模型

3.2.4 精度分析

本次測(cè)量對(duì)礦區(qū)三維地型要素進(jìn)行采集，并構(gòu)建三維模型。通過(guò)實(shí)際測(cè)量高程與生產(chǎn)的三維模型高程進(jìn)行比對(duì)，可以對(duì)構(gòu)建的三維模型等高線(xiàn)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)獲取的20個(gè)標(biāo)高特征點(diǎn)，具體包括有房屋、道路交匯點(diǎn)以及開(kāi)采點(diǎn)等，測(cè)量數(shù)據(jù)處理后得到的測(cè)量平面精度為292mm，具體測(cè)量平面統(tǒng)計(jì)精度見(jiàn)表1，可以滿(mǎn)足在丘陵地區(qū)測(cè)量平面中誤差小于600mm精度要求。

表1 測(cè)量平面精度

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬礦山環(huán)境相對(duì)惡劣復(fù)雜，給金屬礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用造成很大的困擾，加之資源開(kāi)采可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞和影響，所以實(shí)施金屬礦山區(qū)域的測(cè)繪作業(yè)就顯得尤為關(guān)鍵。隨著測(cè)繪技術(shù)手段的不斷升級(jí)和優(yōu)化，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的功能優(yōu)勢(shì)逐漸完善和強(qiáng)大，將其運(yùn)用到金屬礦區(qū)測(cè)繪作業(yè)當(dāng)中，不僅可以全面提升測(cè)量作業(yè)效率和質(zhì)量，同時(shí)也能大幅降低人工作業(yè)強(qiáng)度。本次研究中主要結(jié)合實(shí)例，重點(diǎn)利用大疆無(wú)人機(jī)對(duì)某金屬礦山區(qū)域?qū)嵤┚唧w的測(cè)量和對(duì)比，結(jié)果顯示測(cè)量誤差在允許的范圍之內(nèi)，符合既定的精度標(biāo)準(zhǔn)和要求。需要注意的是，在進(jìn)行金屬礦山作業(yè)的過(guò)程中，也要注意周?chē)h(huán)境的保護(hù)，避免資源的浪費(fèi)。現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)工作中是非常重要的，增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展能夠提升地質(zhì)工作的效率和質(zhì)量。無(wú)人機(jī)的技術(shù)能夠在金屬礦山測(cè)繪的過(guò)程中使金屬礦山測(cè)繪的信息更加準(zhǔn)確，同時(shí)也能提升人員野外測(cè)繪時(shí)安全性。