無人機航測技術(shù)在露天礦山監(jiān)測應(yīng)用的研究綜述

鄭 浩

(華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210)

前言

我國計劃在“十三五”期間實現(xiàn)我國重要成礦帶、礦集區(qū)、礦產(chǎn)資源規(guī)劃區(qū)的1∶50000～1∶10000全覆蓋礦山開發(fā)遙感調(diào)查和監(jiān)測。建成全國礦產(chǎn)資源開發(fā)“一張圖”系統(tǒng)。自2006年“十一五”期間以來，礦山的多目標(biāo)遙感勘測和監(jiān)測開始實施，完成礦山開發(fā)狀況，礦產(chǎn)資源規(guī)劃和礦山狀況的礦區(qū)已經(jīng)有30個省(市或區(qū))重要成礦區(qū)，近20個國家重點礦區(qū)和6萬多個礦區(qū)。環(huán)境遙感勘測監(jiān)測已完成1∶250000規(guī)模的遙感勘測監(jiān)測面積120萬km2，1∶50000和1∶10000規(guī)模的遙感勘測監(jiān)測面積780000km2。查出18000多個違規(guī)建設(shè)或越界開采的礦山，識別了6800多個露天礦山區(qū)域內(nèi)容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害滑坡泥石流等的區(qū)域，為每個省份對省內(nèi)礦山開發(fā)開采的管理工作和開采后地質(zhì)環(huán)境治理工作提供了重要的依據(jù)。初步建立了一種將常規(guī)調(diào)查和緊急情況監(jiān)測相結(jié)合并融合了天地人的礦山遙感監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)。正在形成覆蓋全國的地物遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[1]。

1 無人機航測在國外的發(fā)展?fàn)顩r

無人機航測技術(shù)主要包括飛行器技術(shù)、傳感器技術(shù)、姿態(tài)控制技術(shù)、通信技術(shù)和影像處理技術(shù)[2]。最初的無人駕駛飛行器在軍事范疇的利用更普遍。第一次世界大戰(zhàn)期間，英國軍方首次提出開發(fā)一種小型飛機，這種飛機不需要有人駕駛，可以飛到目標(biāo)地區(qū)進行轟炸。然而，由于當(dāng)時技術(shù)的不成熟，這個計劃擱淺了。直到美國在1916年對第一架無人機進行了成功的測試。無人機航測技術(shù)是在20世紀(jì)末集成電路和雷達(dá)節(jié)制技術(shù)有了較大的成長以后邁出了重要一步。Prayila和Wester-Ebbinghaus完成了世界上第1次利用旋翼無人機做航測，在1979年和1980年先后進行了2次實驗，第1次是光學(xué)相機做實驗，第2次實驗搭載Rolleifex相機。這次實驗結(jié)果，對于后來無人機在航空攝影測量中的應(yīng)用研究有著巨大的參考價值[3-5]。

20世紀(jì)末期，隨著雷達(dá)控制和集成電路技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，無人機航行控制技術(shù)也得到巨大突破，無人機的性能方面包括飛行姿態(tài)、航行時長和作業(yè)范圍大小等都有著明顯的提高，其中最大的突破是無人機可完成預(yù)編程控制飛行，甚至自主飛行?，F(xiàn)階段在國外，有上百種各類用處各類機能的無人機，具備代表性的旋翼無人機首要有OS4和Mesicopter 2種，OS4來自于瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)，Mesicopter是四旋翼無人機由美國斯坦福大學(xué)研發(fā)而成；牢固翼無人機首要有UX5(美國天寶公司)、eBee(瑞士senseFly公司)和天狼星Sirius Pro(Topcon)；而在復(fù)合式無人機范疇TerraHawk CW-30無人機占有了首要市場，是由美國JOUAV公司結(jié)合Phoenix LiDAR體系公司研發(fā)而成。

在傳感器技術(shù)方面，中型傳感器的像素已經(jīng)可達(dá)到8000萬像素，能夠取代許多大型傳感器的作業(yè)工作，高像素的鏡頭與集成技術(shù)作為無人機航測的主要技術(shù)，其發(fā)展為航測任務(wù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也使得攝影傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域得到了拓展。中小型相機和小型穩(wěn)定器的組合重量輕，易于攜帶，在應(yīng)急測繪方面有很好的利用遠(yuǎn)景?？梢越M合不同類型的傳感器以執(zhí)行多波段高光譜攝影測量。小型價廉的激光掃描設(shè)備與MS相機集成在一起，通過相應(yīng)的軟件可以用于解決任務(wù)計劃和導(dǎo)航等問題。

在數(shù)據(jù)處理軟件方面，數(shù)據(jù)量大、分辨率高、影像重疊度高的無人機影像與遙感影像相比來說，一些傳統(tǒng)的遙感軟件，如ENVI、ERDAS IMAGINE、PCI等遙感圖像處理軟件無法滿足無人機影像的數(shù)據(jù)處理需求。所以航測內(nèi)業(yè)人員想要大量的無人機影像數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)處理完同時又要保證航測相片的處理精度的，就需要專用于無人機影像處理的軟件。

目前，國外主流的無人機影像處理軟件平臺有LPS(徠卡公司)、Inpho(德國INPHO公司)、PCIGeomatica(PCI公司)和Pix4Dmapper(瑞士Pix4D公司)。還有最近幾年由于無人機航測更加面向三維數(shù)據(jù)而使用較多的Photoscan、Context CaptureCenter以及上文提到的Pix4Dmapper等軟件。

Guillaume Brunier等利用無人機航測在法屬圭亞那灣進行了數(shù)據(jù)采集工作。獲取了2013年和2014年的數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過比較分析，發(fā)現(xiàn)了2013—2014年度法屬圭亞那灣地質(zhì)形式的變化[7]。2015年，克勞迪婭(Claudia)等人使用無人機測量了西班牙安達(dá)盧西亞地區(qū)的溝壑，并建立了溝壑的三維模型[8]。

2 無人機航測在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r

在我國，在過去近40a的時間民用無人機逐步發(fā)展起來，早在1980年，一款主要用于航測和航空物探的多用途無人機D-4在陜西省科學(xué)技術(shù)委員會與西北工業(yè)大學(xué)共同努力下研發(fā)而成，但直到1995年，D-4無人機才進入量產(chǎn)階段。此后，無人機的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴展，如在進行植物保護監(jiān)測、抗震救災(zāi)、電力設(shè)施建設(shè)、氣象監(jiān)測等方面，都有無人機活躍的身影。近年來，無人機攝影測量受益于成熟的技術(shù)和產(chǎn)品的商業(yè)化。路徑導(dǎo)航、續(xù)航能力、極端條件的航行、建模算法和模型精度等問題已得到一定程度的解決，可應(yīng)用于古跡的維護和環(huán)境保護。在礦產(chǎn)資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)后損失評估、地圖測繪、農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理等領(lǐng)域均取得了顯著的成績。2008年5·12大地震后，王青山等通過對川西北堰塞湖進行無人機航拍，獲得了高清的震后災(zāi)區(qū)的影像資料，為預(yù)防震后次生災(zāi)害工作提供了有力的支持[9]。楊青山等使用無人機和傳統(tǒng)礦山測量2種方法分別對新疆軍嫂礦和五洲四號礦進行了礦山動態(tài)儲量評估，并對評估結(jié)果對比分析。據(jù)測算，使用無人機航空攝影測量對礦山儲量進行動態(tài)監(jiān)測所耗費的時間僅是傳統(tǒng)測量方式的1/3，極大地減少了工作量，提高了生產(chǎn)效率[10]。2016年，韓文霆等在河套灌區(qū)塔爾湖鎮(zhèn)進行一次航測，使用決策樹、向量積等方法對灌區(qū)成果進行了分類。研究結(jié)果表明，分類精度良好，使用無人機航測技術(shù)可以在灌區(qū)進行土地利用和覆被分類[10]。

3 露天礦山監(jiān)測的現(xiàn)狀

我國礦產(chǎn)資源總量世界第3，是一個礦產(chǎn)資源豐富的國家，但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，不斷增加的礦產(chǎn)資源需求，使我國越來越重視礦產(chǎn)資源開發(fā)管理。正因此，對我國現(xiàn)有的礦產(chǎn)資源進行合理的開發(fā)是非常有必要的。對礦山進行實時動態(tài)監(jiān)測也是是非常有必要的。礦山測量所獲取的數(shù)據(jù)必須要有足夠的精度，因為這些資料質(zhì)量的高低決定了后續(xù)礦山開采工作的進行，同時關(guān)系到礦區(qū)內(nèi)作業(yè)人員的生命安全和開采過后的土地恢復(fù)治理工作的開展。實時動態(tài)監(jiān)測能夠?qū)崟r掌握露天礦山開采的準(zhǔn)確性和開采進度，為建設(shè)數(shù)字礦山提供了可靠的技術(shù)支撐。通過礦山無人機航測數(shù)據(jù)獲取礦山三維模型，利用全站儀獲取露天礦山的二維坐標(biāo)，利用GPS-RTK技術(shù)采集露天礦山區(qū)域內(nèi)精確控制點，制作精準(zhǔn)的露天礦山開采區(qū)域的三維模型作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)露天礦山開采工作的管理打下一定的基礎(chǔ)。無人機航測、GPS-RTK等一些新興的測量技術(shù)在礦山測量工作中使用大大削弱了以往傳統(tǒng)測量方式的局限性，多種測量方法儀器相結(jié)合對礦山進行數(shù)據(jù)采集，均衡利弊，保證了準(zhǔn)確性和高效性。就目前而言，選用哪種測量方法或者是哪種測量技術(shù)都要根據(jù)所在礦區(qū)的具體情況做決定[6]。對于重點礦山區(qū)域的測量，在必要時應(yīng)準(zhǔn)備計劃。在測量過程中對于誤差產(chǎn)生的3個來源環(huán)境、儀器和人員分別進行控制?，F(xiàn)代化的測量儀器大都屬于高精密儀器，因此在實際測量過程中應(yīng)注意溫度、天氣狀況等環(huán)境因素。同時，還應(yīng)考慮如何盡量減少人為因素和非人為因素對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。此外，在對露天礦山監(jiān)測過程中，由于礦區(qū)內(nèi)不同區(qū)域所需要監(jiān)測的重點有所不同，必須因地制宜，采用不同的測量方法根據(jù)不同的測量要求，以確保相同條件下礦山監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)度。

GPS接收機自從我國在20世紀(jì)80年代中期引進以來，其應(yīng)用范圍逐漸擴大，在工程應(yīng)用方面也取得了不錯的成績，應(yīng)用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)布設(shè)精密工程控制網(wǎng)礦山測量和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測等精密工程加密測圖控制點應(yīng)用。應(yīng)用GPS實時動態(tài)定位技術(shù)可進行工程建設(shè)的放樣以及地形圖的測繪等。我國礦山的勘測工作也伴隨著GPS接收機技術(shù)發(fā)展得到飛躍性的進步。GPS的應(yīng)用使得礦區(qū)的控制測量工作從不可能變成了有可能，從而取代了使用全站儀進行控制測量的繁瑣步驟。RTK技術(shù)通過全球定位系統(tǒng)對地面點的坐標(biāo)進行精確測量，從而可以獲得大型礦區(qū)的地形圖數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的全站儀控制相比，使用GPS-RTK技術(shù)的最突出之處是人們不再需要考慮地形是否通視、不再受地形因素的限制，優(yōu)化了先前使用全站儀繁瑣的測量步驟，提高了工作效率，減少了資源的浪費。甚至在一定程度上保護了生態(tài)環(huán)境，因其不需要因為通視問題而砍伐有陰影的樹木。近年來，GPS-RTK技術(shù)在地勘方面技術(shù)的成熟使得它在露天礦山測量中具有無法替代傳統(tǒng)測量方法的優(yōu)勢，但是對于大型礦區(qū)，由于GPS信號接收等問題并無法完全實現(xiàn)礦井測量的數(shù)字化。

王鴻鴿研究了無人機航測在礦山測繪中的實際應(yīng)用，使得低空無人機遙感測量在大比例尺測圖中的應(yīng)用得以實現(xiàn)[13]。張忠結(jié)合了多年的切身經(jīng)驗，分析了低空無人機遙感測量的特點和適用范圍，論述了在礦山測量上無人機測量的方法[12]。

國土資源管理工作要求對我國各重要成礦帶、礦集區(qū)和重要規(guī)劃區(qū)的礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況進行全面調(diào)查，實現(xiàn)“一年一圖”、“以圖管礦”。但目前的工作僅實現(xiàn)了對163個國家重點礦區(qū)的一次調(diào)查。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的進一步深入，經(jīng)濟社會發(fā)展對礦產(chǎn)資源供給提出了更高的需求。為保持我國礦產(chǎn)資源開發(fā)與礦山地質(zhì)環(huán)境保護工作的和諧發(fā)展，為國家管理礦政工作提供技術(shù)支撐，需要利用攝影測量和遙感技術(shù)在重要的礦產(chǎn)資源開發(fā)地區(qū)進行礦山開發(fā)調(diào)查與監(jiān)測工作。礦山監(jiān)測工作主要內(nèi)容有監(jiān)測礦山區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境、監(jiān)測礦山工作是否按照礦產(chǎn)資源規(guī)劃進行開采開發(fā)和監(jiān)測礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀，目前來說各省市的主要礦集區(qū)、成礦帶是主要的監(jiān)測對象，2011年國家實施礦山監(jiān)測工作共部署1∶10000或1∶50000比例尺監(jiān)測區(qū)261個，工作區(qū)遙感解譯總面積達(dá)到55.8萬km2。2012年遙感監(jiān)測工作部署涉及217個全國重點礦區(qū)、工作面積90.4萬km2。目前，已經(jīng)完成194個監(jiān)測區(qū)、80.1萬km2的遙感監(jiān)測工作，其中，1∶50000監(jiān)測區(qū)60.2萬km2，1∶10000監(jiān)測區(qū)10.9萬km2，共提取出礦產(chǎn)疑似違法圖斑4713處。

4 結(jié)論

基于無人機航測數(shù)據(jù)對礦山環(huán)境進行動態(tài)變化監(jiān)測和實時監(jiān)測，為礦山環(huán)境保護與修復(fù)監(jiān)測提供最有力支撐。采用無人機航測技術(shù)，以省或市為單位對地形復(fù)雜的礦山開展調(diào)查監(jiān)測工作，獲取露天礦山的資源開發(fā)利用建設(shè)信息，覆蓋轄區(qū)內(nèi)大大小小的露天礦山制作正射影像圖和三維模型為露天礦山后續(xù)的開發(fā)開采工作提供依據(jù)。需要整頓和規(guī)范化的重點露天礦山，可進行兩、三年的連續(xù)監(jiān)測，以監(jiān)督和審核礦山管理人員進行礦區(qū)內(nèi)資源開發(fā)秩序的整頓工作和資源開采后的環(huán)境治理工作，同時也可結(jié)合地理信息系統(tǒng)為以省或市為單位建立露天礦山監(jiān)管系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。