無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在堆積型鋁土礦開采管理中的應(yīng)用

韋乾昭

（廣西華銀鋁業(yè)有限公司）

堆積型鋁土礦廣泛分布于廣西百色、崇左一帶，并向東南半島延伸至越南北部。其礦體主要特點(diǎn)是埋藏淺、厚度小，平面上相對(duì)獨(dú)立，分布范圍較大。由于礦體特點(diǎn)，開采堆積型鋁土礦平面推進(jìn)速度快，工作面及采場(chǎng)地形變化非?？?。傳統(tǒng)測(cè)繪效率低，其成果時(shí)效性不高，提供的測(cè)量數(shù)據(jù)多為二維平面圖、數(shù)據(jù)豐富性及可及性不足。要提高鋁土礦開采管理效率，離不開大量、及時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，礦山技術(shù)人員、管理人員只有依賴更高質(zhì)量、更多維度的測(cè)量數(shù)據(jù)，才能使設(shè)計(jì)方案更適合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，日常作業(yè)指令下達(dá)與監(jiān)管更具有可操作性與及時(shí)性。

隨著無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于露天礦山測(cè)量、土地整治、山區(qū)道路勘測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、森林資源調(diào)查等各個(gè)領(lǐng)域。無人機(jī)平臺(tái)搭載的各類設(shè)備可提供多層次、多維度的測(cè)量數(shù)據(jù)，可為鋁土礦開采管理提供有效數(shù)據(jù)保障。在堆積型鋁土礦這種礦區(qū)范圍大，地形地貌復(fù)雜多變，測(cè)量工作量大的礦山，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可大幅提高工作效率，縮短開采現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、圖形更新周期，在緊急任務(wù)或突發(fā)事件的情況下，可快速響應(yīng)獲取數(shù)據(jù)，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)［1-5］。

1 堆積型鋁土礦開采管理問題

1.1 開采特點(diǎn)

堆積型鋁土礦礦區(qū)范圍面積大，礦體大小相差懸殊，以廣西華銀鋁有限公司為例，其4個(gè)鋁土礦礦區(qū)總面積達(dá)440.25 km2，共有礦體262個(gè)，保有凈礦石量約為1.72億t。其礦區(qū)內(nèi)礦體大小相差懸殊，礦體面積最大為2.513 5 km2，最小為0.006 7 km2。礦體平均厚度為1.13～10.73 m，一般為3～9 m，礦體含礦率為472～1 251 kg/m3。礦區(qū)內(nèi)各礦體自然封閉互不連接，分別采用單獨(dú)的露天坑開采，其露天坑的平面尺寸和形態(tài)隨礦體賦存面積和形態(tài)而定。設(shè)計(jì)開采礦體呈平面型分布，分布面積廣，礦體多，厚度不大，埋藏淺，覆蓋層薄，開采時(shí)平面推進(jìn)速度快，雨季時(shí)采場(chǎng)作業(yè)條件差，主要采用公路開拓—鉸接式汽車運(yùn)輸方式進(jìn)行開采。平面推進(jìn)型露天礦山，平均運(yùn)距大，其中首采礦段平均運(yùn)距約為5.5 km，往后逐年增加。礦山生產(chǎn)干線道路、支線道路修筑量大，道路使用期短。

1.2 傳統(tǒng)開采管理主要問題

堆積型鋁土礦特殊的賦存方式，決定了其礦山生產(chǎn)特點(diǎn)：采區(qū)面積大而分散，開采平面推進(jìn)速度快，采場(chǎng)地形變化快，導(dǎo)致測(cè)繪工作任務(wù)量大。其需要測(cè)繪的內(nèi)容包括采場(chǎng)地形測(cè)繪、采礦用地權(quán)屬劃分、礦山開采現(xiàn)狀測(cè)繪、礦山各堆場(chǎng)盤存測(cè)量、尾礦庫大壩變形觀測(cè)、殘礦回收土方測(cè)量等測(cè)量工作，工作任務(wù)繁重。此外，原有的測(cè)量手段效率低，無法及時(shí)更新生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)礦山精準(zhǔn)配礦有直接影響。

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 無人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

無人機(jī)航測(cè)作業(yè)按圖1所示流程完成航攝影像數(shù)據(jù)的采集。

2.2 數(shù)據(jù)類型及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)航測(cè)主要由地面控制系統(tǒng)、飛行平臺(tái)、高清攝像機(jī)及任務(wù)模塊組成。地面控制系統(tǒng)操控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)、高度等，高清攝像機(jī)及任務(wù)模塊則及時(shí)獲取地面被測(cè)對(duì)象的高清影像，對(duì)飛行路線進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集。

（1）航拍視頻數(shù)據(jù)。無人機(jī)主要提供航測(cè)可生成航拍視頻，視頻可清晰、全局地了解礦區(qū)范圍內(nèi)的各類要素，如廠區(qū)道路，周邊村屯，建筑物，地面作物類型等。

（2）正射影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)航測(cè)可通過空三加密、數(shù)字表面模型（DSM）構(gòu)建、鑲嵌勻光等生成的正射影像。

（3）三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過在無人機(jī)平臺(tái)上掛載激光雷達(dá)，可以獲取地物空間三維坐標(biāo)信息的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分類，實(shí)現(xiàn)地表特征提取，可獲得剔除植被之后的地面點(diǎn)，構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)字地表高程模型（DEM）。

（4）三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取描述地物表面和側(cè)面紋理信息可生成三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)。

無人機(jī)航測(cè)具有操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)分辨率、準(zhǔn)確性高，飛行測(cè)量期間基本不受地形影響、一次性測(cè)量面積大、立體直觀地展示地形地貌等特點(diǎn)，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)大大提高了測(cè)量效率。一次測(cè)量面積大，且可以獲得正射影像圖、三維模型，可以大幅減少測(cè)量人員的投入。由于測(cè)量效率的大幅度提高，也可以縮短現(xiàn)狀測(cè)量的周期，為礦山生產(chǎn)配礦提供更為及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

通過專用軟件處理，可生成3mx、s3c、obj、osgb等格式的多視角三維模型，利用Acute3D Viewer等專業(yè)軟件可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)做點(diǎn)云數(shù)據(jù)和正攝影像圖。利用專業(yè)軟件可查看三維模型，可初步計(jì)算任意對(duì)象的長(zhǎng)度、高差、表面積、填挖量等。

3 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在堆積型鋁土礦開采管理中的應(yīng)用

3.1 在礦山采剝進(jìn)度計(jì)劃編制階段的應(yīng)用

礦山的采剝進(jìn)度計(jì)劃主要包括編制長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和年度采剝計(jì)劃，根據(jù)年度采剝計(jì)劃編制季、月、旬計(jì)劃，生產(chǎn)過程中以日或班為周期編制生產(chǎn)配礦計(jì)劃。

3.1.1 編制長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃

華銀鋁礦區(qū)范圍大，礦區(qū)內(nèi)各礦體大小相差懸殊，分布分散。在編制長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃時(shí)，了解各礦體以及礦體之間的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)于編制規(guī)劃非常重要。

目前編制規(guī)劃主要依靠比例尺為1∶5 000、1∶10 000的地形圖以及少量的外業(yè)調(diào)查了解現(xiàn)狀，因此，各礦體之間的開拓線路選擇、礦體之間開采順序編制合理性較差。

傳統(tǒng)地形圖測(cè)量方法主要采用全站儀測(cè)量、GNSS-RTK測(cè)量，礦區(qū)范圍大時(shí)，礦區(qū)范圍內(nèi)的地形更新慢。無人機(jī)航測(cè)工作速度快、成本低，能減少人力物力，可以機(jī)動(dòng)靈活地進(jìn)行采集地理信息，影像遙感信息等，同時(shí)形成比例尺為1∶1 000高精度地形圖，讓編制人員更直觀、全面地了解規(guī)劃編制時(shí)期礦區(qū)地形、地貌，能更好地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃編制。同時(shí)，也便于規(guī)劃審查人員通過可視化模型進(jìn)行開拓線路設(shè)計(jì)及礦體開采順序合理性驗(yàn)證與評(píng)估。

3.1.2 短周期配礦計(jì)劃編制

華銀鋁礦山短周期配礦計(jì)劃主要是對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、年度采剝計(jì)劃等進(jìn)行分解。

華銀鋁土礦開采為平面推進(jìn)型，礦體厚度不大，采場(chǎng)推進(jìn)速度快，開采現(xiàn)狀變化快。另外，礦山生產(chǎn)規(guī)模大，礦山雨季采場(chǎng)出礦能力、運(yùn)礦道路情況、難洗膠泥礦占比、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)效等均是影響配礦工作的主要因素。綜上，配礦指令編制人員需要快速、準(zhǔn)確、全面地了解作業(yè)時(shí)間的各生產(chǎn)要素方可編制準(zhǔn)確、可操作的配礦作業(yè)指令。根據(jù)舊有的生產(chǎn)組織流程，由于測(cè)量任務(wù)重，采場(chǎng)現(xiàn)狀圖均以月為周期進(jìn)行更新，采場(chǎng)出礦能力、運(yùn)礦道路情況等采用電話問詢或是現(xiàn)場(chǎng)了解，所需時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致配礦作業(yè)指令編制、調(diào)整滯后于現(xiàn)狀。無人機(jī)航測(cè)可快速動(dòng)態(tài)提供作業(yè)期內(nèi)的采場(chǎng)開采現(xiàn)狀、運(yùn)礦道路等多維數(shù)據(jù)信息，技術(shù)員可根據(jù)三維模型，快速編制出符合現(xiàn)狀的配礦作業(yè)指令，也可根據(jù)快速更新的信息判斷原有配礦作業(yè)指令是否能有效執(zhí)行等。

3.1.3 在開拓道路勘測(cè)及選線中應(yīng)用

礦山平面推進(jìn)速度快，平均運(yùn)距大，礦山生產(chǎn)干線道路、支線道路修筑量大，道路使用期短。礦區(qū)開采范圍內(nèi)礦區(qū)地形地貌復(fù)雜，為中、低山碳酸鹽巖溶地貌，礦體一般賦存在洼地和緩坡地。礦區(qū)內(nèi)地形條件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)道路勘測(cè)手段非常艱難，部分區(qū)域由于地形坡度大、植被密集無法到達(dá)。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)所提供的多維數(shù)據(jù)，使得礦山開拓道路選線上可以結(jié)合地形圖、影像視頻、三維模型等進(jìn)行選線，可大大提高開拓道路選線的準(zhǔn)確性和可靠性，提高作業(yè)效率。圖2為礦區(qū)采場(chǎng)道路選線圖。

3.2 在礦山采礦用地中的應(yīng)用

采場(chǎng)用地涉及地類調(diào)查、權(quán)屬劃分等工作，利用無人機(jī)航測(cè)可以識(shí)別田坎、道路，能夠劃分土地、地類，通過搭載多光譜攝像頭，將測(cè)繪、地類調(diào)查、植被情況等信息可以一次性收集，除減少人工實(shí)地調(diào)查工作量外，其正射影像還可做為用地前土地利用情況記錄，以便采礦復(fù)墾后開展對(duì)比，圖3為礦區(qū)地類調(diào)查正影像+地形圖。

3.3 在礦山日常生產(chǎn)監(jiān)管階段的應(yīng)用

礦山開采活動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)、連續(xù)過程，采礦作業(yè)制度為每天三班制。生產(chǎn)作業(yè)指令需要各班能準(zhǔn)確交接、嚴(yán)格執(zhí)行?，F(xiàn)階段生產(chǎn)調(diào)度、采礦技術(shù)員、生產(chǎn)班組長(zhǎng)在進(jìn)行采場(chǎng)采運(yùn)作業(yè)交接班時(shí)，多采用口述或是在二維的月末實(shí)測(cè)圖進(jìn)行交接，交接過程容易出現(xiàn)信息傳遞過程中的變形。

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可及時(shí)生成所需要的三維模型、正射影像圖。采用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)所取得的三維模型進(jìn)行作業(yè)任務(wù)交底更直觀，可提高信息傳遞質(zhì)量。另外，借助于三維模型、圖像數(shù)據(jù)等，也可快速、更好地對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)管。圖4為礦區(qū)工作面日常巡視圖。

此外，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可檢測(cè)開采范圍，防范越界開采。堆積型鋁土礦區(qū)范圍內(nèi)礦體數(shù)量多、厚度小，礦體服務(wù)年限短，中夜班光線不足時(shí)，容易出現(xiàn)越界開采。無人機(jī)航測(cè)所得到的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，通過專用的設(shè)計(jì)軟件，可以生成正射影像圖，通過對(duì)比用地紅線（設(shè)計(jì)開采范圍），可以監(jiān)測(cè)是否越界開采。

3.4 在礦山隱患排查和應(yīng)急保障時(shí)期的應(yīng)用

一方面，無人機(jī)航測(cè)可對(duì)礦山地質(zhì)隱患點(diǎn)開展排查，對(duì)采場(chǎng)及其周邊的高陡邊坡、易發(fā)生滑坡點(diǎn)等高危區(qū)域開展定期和不定期排查，防范礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生（圖5為礦山邊坡巡視效果圖）；二是在排泥庫泄漏等應(yīng)急情況下，可以使用無人機(jī)航測(cè)及時(shí)開展情況排查，為應(yīng)急情況處置提供第一手的現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.5 在礦區(qū)巡視看護(hù)中的應(yīng)用

華銀鋁土礦屬于露天開采礦山，礦區(qū)面積大，礦體多且分散，各礦體間基本上都有鄉(xiāng)村道路通達(dá)，礦區(qū)內(nèi)礦體大部分直接裸露，開采技術(shù)條件簡(jiǎn)單，近些年來，礦區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有盜采礦行為。盜采礦采用小型液壓挖掘機(jī)+自卸式汽車的方式，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，日常礦區(qū)巡視看護(hù)工作需要投入大量的人力物力。以往的巡視看護(hù)主要是看護(hù)人員駕車定點(diǎn)巡視，要巡視完全礦區(qū)礦體所需周期長(zhǎng)。

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)單，成本低，一次航測(cè)面積大，可快速響應(yīng)獲取數(shù)據(jù)，縮短全礦區(qū)礦體巡視周期。無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)，通過Acute3D Viewer等專業(yè)軟件可生成正射影像圖、三維模型，結(jié)合礦區(qū)范圍、礦體范圍線等，可快速判斷是否存在盜采，通過軟件的土方計(jì)算等功能，可快速了解盜采區(qū)被動(dòng)用面積以及被盜采資源量。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，大幅提高鋁土礦礦區(qū)巡視看護(hù)工作效率以及響應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié) 語

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪方式作業(yè)效率低、人工成本高，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)作業(yè)效率高，可提供航拍視頻、正射影像、三維點(diǎn)、三維實(shí)景模型等數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用表明，利用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)提供的豐富、直觀數(shù)據(jù)，能在鋁土礦開采的采剝進(jìn)度計(jì)劃編制、礦山日常生產(chǎn)監(jiān)管、礦山隱患排查和應(yīng)急保障、礦區(qū)巡視看護(hù)等方面提高開采管理效率。在未來實(shí)踐與研究中，應(yīng)更進(jìn)一步深挖無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的價(jià)值，擴(kuò)展應(yīng)用面。