無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

摘 要：為解決目前露天礦山開采中遇到復(fù)雜地形而產(chǎn)生的勘探誤差等一系列問題，本文研究了無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用方法。首先，基于無人機航測規(guī)劃無人機的飛行路線，提高現(xiàn)場無人機作業(yè)的效率；其次，提取采空區(qū)目標體，減少勘探后續(xù)處理的工作量；最后，分析礦山采空區(qū)成像特征，完成無人機航測技術(shù)在礦山采空區(qū)的應(yīng)用。為檢測無人機航測技術(shù)的有效性，通過試驗分析對比該方法的有效性。試驗結(jié)果表明，在這次測試中，在同一個勘察區(qū)域內(nèi)，所提方法測量誤差逐漸縮小，最小誤差為0.03m。隨著勘察面積加大，其測量誤差也逐漸變大，但均小于2種對比方法，由此可以看出無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)勘探的有效性。

關(guān)鍵詞：無人機；礦山采空區(qū)；勘探；航測

中圖分類號：D 26" " " " " 文獻標志碼：A

能源在社會的經(jīng)濟發(fā)展中起到舉足輕重的作用，加強對多元能源資源的勘探與開發(fā)已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的要求。因此，需要加強對煤礦山采空區(qū)的勘探與開發(fā)，提高其效益。由于煤礦采空區(qū)的地貌比較復(fù)雜，因此存在許多危險因素，例如不加節(jié)制地開采很可能會造成重大的安全事故[1-2]。針對露天礦采空區(qū)治理中存在的問題，現(xiàn)代科技采用三維激光掃描技術(shù)、地球物理綜合探技術(shù)、高密度電法和綜合檢測技術(shù)，對采空區(qū)進行精細勘探與檢測，從而獲得采空區(qū)的空間分布特征和有關(guān)參數(shù)，并對采空區(qū)的潛在危害性進行精準評估[3]。無人機航測技術(shù)在采空區(qū)等重大安全隱患的地區(qū)，具有較高的可靠性，保障采空區(qū)的勘探安全。

1 無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)勘探中的應(yīng)用

使用無人機航測技術(shù)對露天礦山采空區(qū)等一些有安全問題的地區(qū)進行分析探查，這種技術(shù)具有可靠性高、效率高等明顯優(yōu)點，能夠反映勘測區(qū)域的地形等信息[4]。目前，無人機航測技術(shù)在礦山采空區(qū)的應(yīng)用較少，尤其是在采空區(qū)勘探方面，使用無人機航測技術(shù)可以得到采空區(qū)的真實3D數(shù)據(jù)信息，進行影像處理與信息分析后，能夠有助于采空區(qū)的勘探。因此，本文基于無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)中進行應(yīng)用設(shè)計與分析。

1.1 基于無人機航測規(guī)劃飛行航線

正確的航路規(guī)劃不僅可以提高現(xiàn)場作業(yè)的效率，而且還可以確保圖像數(shù)據(jù)的品質(zhì)。一般情況下，測量結(jié)果的精度（比例尺、地面分辨率等）都是必須的[5]。在礦山采空區(qū)勘探中，地面的分辨率以0.05或0.1為宜，應(yīng)視工作區(qū)的大小、無人機的性能以及施工環(huán)境等因素而定[6]。無人機飛行的航高通過地面分辨率的大小與相機的焦距來設(shè)定，飛行航高的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：W為飛行航高；a為相機CCD的大小；f為物鏡鏡頭的焦距；Q為無人機攝像的地面分辨率，cm/pixel。

確定地面的分辨率后，無人機飛行航高是由攝像相機的參數(shù)確定的。為了減少無人機航拍影像的鏡頭畸變，通常情況下會使用長焦距鏡頭進行拍攝。

無人機遙感影像的交疊速率（包括航向交疊速率和側(cè)向交疊速率）決定了無人機航測技術(shù)的影像的空域采樣密度，適當?shù)靥岣呓化B速率有助于提高結(jié)果的準確性。按照有關(guān)標準，一般情況下，航向交疊比例為60%～80%，側(cè)向交疊比例為15%～60%，其數(shù)值直接影響相片基線長度及相鄰航路間距[7-8]。影像方向的交疊程度越大，影像的基線越短，且基高比越小。在三維模式下，當同一目標的相交角度過小時，將導(dǎo)致立體觀察的結(jié)果下降，從而對高程測量的精度產(chǎn)生直接影響。與此同時，還要注意由于攝影基線太短而造成的漏拍，因此要從實際情況出發(fā)，從多個角度進行考量，在符合數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求的前提下，可以適當?shù)卦黾踊弑?，從而提高無人機高程的測量精度[9]。

1.2 提取采空區(qū)目標體

在對露天礦山下采空區(qū)進行探測的過程中，由于介質(zhì)的復(fù)雜性和可變性，因此給無人機作業(yè)帶來大量的數(shù)據(jù)信息，由于礦山采空區(qū)的信息占數(shù)據(jù)的小部分，因此對采空區(qū)進行探測，以降低后續(xù)的數(shù)據(jù)處理難度，這對于勘探隱蔽采空區(qū)有重要意義。在使用無人機航測技術(shù)對采空區(qū)進行勘探的過程中，礦山采空區(qū)位置具有未知性，如果進行大規(guī)模的探測，那么所需的信息資料也是很多的。為了提高勘探探測效率，選擇合適的方法對采空區(qū)進行目標體提取，可以極大地減少后續(xù)處理的工作量。對于目標體的提取，建立二元模型，如公式（2）所示。

（2）

式中：yn（k）為反射波的信號長度；sn（k）為礦山采空區(qū)的反射波信號；k為區(qū)域測點的個數(shù)；vn（k）為干擾噪聲。

由于電磁波的信號大多數(shù)為帶寬較為窄的脈沖波，因此當設(shè)定與yn個電磁波的分量線性無關(guān)時，對數(shù)似然函數(shù)的計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：|sn|為sn的犯數(shù)。一般情況下，sn其估計數(shù)值由 yn決定，sn的統(tǒng)計量的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：如果yn服從正態(tài)分布就可以得出Y（n）服從η的分布。通過中心極限定理可知，當自由度無限大時，正態(tài)分布與卡方分布是相似的，可以得出Y（n）的二元分布的定義公式，如公式（5）所示。

（5）

露天礦山的采空區(qū)的反射電磁波的能量集中在某個區(qū)域內(nèi)，如果收集全部的采樣點再進行計算就會使干擾信號變強，為了減少提取目標體的干擾信號，增加一個函數(shù)，其計算如公式（6）所示。

（6）

通過上述計算可以大大減少信息數(shù)據(jù)處理的數(shù)量，設(shè)定k1和k2的差值為m，則取最大值時礦山采空區(qū)的目標體是最容易被提取的，選取合理的閾值可以將采空區(qū)最合適提取的目標體的區(qū)域劃分出來。與傳統(tǒng)的采空區(qū)勘探方式相比，利用無人機航測技術(shù)對露天礦采空區(qū)進行探測，不僅是從表面上看，更重要的是它的“精細化”表現(xiàn)如下：利用無人機航測獲得采空區(qū)爆破前后2個階段的三維可視化模型，并結(jié)合真實的三維點云信息，具有良好的安全性和可操作性，并具有豐富的細節(jié)和紋理。利用高程點的信息，可以較好地反映爆破前后采空區(qū)的空間形貌變化情況。

1.3 分析礦山采空區(qū)成像特征

在無人機對礦山采空區(qū)進行勘探的過程中，反射單波道的電磁波被采空區(qū)的接觸面反射后，其相位以及極性、幅值等相關(guān)特征會出現(xiàn)不同程度的疊加或減少，使連續(xù)探測得到的圖像在二維圖上呈現(xiàn)與被探測對象相對應(yīng)的雙曲型[6]。由目標體的位置與勘探監(jiān)測點所決定的空間示意圖如圖1所示。

目標體的圖像成二維的雙曲線的關(guān)系計算如公式（7）所示。

（7）

式中：t0為在點x0電磁波豎直到達目標點所需要的時間；ti為xi點電磁波到達目標體所需時間；v為在介質(zhì)中電磁波所需要的傳播速度。

由于地層介質(zhì)的非均勻性，高頻電磁波在傳輸過程中會受衰減、散射、噪聲以及電磁干擾等現(xiàn)象的影響，因此二維圖像變得模糊不清。因為采空區(qū)的早期存在廢石充填等現(xiàn)象，礦石品質(zhì)較高的地區(qū)會存在缺少開采資料的盲區(qū)，所以為了提高安全管理的水平，適用露天開采，遺留的采空區(qū)對安全生產(chǎn)造成了影響。再加上礦山采空區(qū)地質(zhì)形態(tài)的多樣性，通常無法獲得理想的雙曲率形態(tài)，只能大致判斷波形的異常。

在勘探數(shù)據(jù)的采集過程中，由于地層介質(zhì)的多樣性，因此可能會采集包括直流成分或偏移的電磁波信號，這會導(dǎo)致延遲振蕩和低頻拖尾現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使電磁波信號的混亂圖形變得模糊，難以進行準確判斷。因此，需要對數(shù)據(jù)進行去振蕩濾波的編輯處理。

去振蕩濾波的編輯處理可以降低數(shù)據(jù)的正負對稱性，并將其降低至平均零度。這樣做有助于識別成像特征，并剔除不良信號，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而獲得更好的勘探數(shù)據(jù)，其步驟如下所述。

1.3.1 去除直流成分

采用DC Block濾波器對原始數(shù)據(jù)進行處理，去除直流成分。該濾波器是1個高通濾波器，如公式（8）所示。

y（n）=x（n）-x（n-1）+ay（n-1） " " " " "（8）

式中：x（n）為原始數(shù)據(jù)點；y（n）為處理后的數(shù)據(jù)點；a為濾波器參數(shù)，通常取0.99。

1.3.2 平均去振蕩

使用平滑濾波器對數(shù)據(jù)進行去振蕩處理，平滑濾波器的公式如公式（9）所示。

（9）

式中：x'（n）為原始數(shù)據(jù)點；y'（n）為去振蕩后的數(shù)據(jù)點。

通過以上數(shù)據(jù)處理步驟可以降低噪聲的影響，提升信號強度，并剔除不良信號，以獲得更準確、清晰的勘探數(shù)據(jù)。并且經(jīng)過這種方法可以將資料的正、負對稱性降至平均零度。對成像特征進行相應(yīng)識別后，剔除不良信號提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量而獲得更好的勘探數(shù)據(jù)。

2 試驗測試

為測試本文提出的無人機航測技術(shù)在露天礦山采空區(qū)中勘探方法的有效性，通過對比本文方法與傳統(tǒng)方法1、2這3種方法在露天礦山采空區(qū)進行航測拍攝的圖像，進行試驗測試與分析。

2.1 試驗準備

這次勘探測試主要選擇在黃土丘陵地帶，黃土層比較厚實，而且地形比較復(fù)雜。降雨量總體上很小，但是在全年降雨量中，以夏季降雨量為主；因為日照充足，所以蒸發(fā)多；草本植物多為低矮植物，這樣會有更好的視覺效果。

在具體測試中，共計投入航測與攝像控制9人，將其分為3組，對其進行多次測試，驗證所提方法無人機航測精準度。本次試驗受地區(qū)環(huán)境限制，因為夏季與冬季進行航測的時間會受到影響，所以選取夏季七月進行測試。利用3種方法對露天礦山采空區(qū)的不同區(qū)域進行航測，其測量的精度狀況是不一樣的，所以本次測試選在平地形采空區(qū)，使用平地形采空區(qū)的勘探面積參數(shù)進行測試，而傳統(tǒng)方法1采用人工測量的方式進行測試，傳統(tǒng)方法2使用數(shù)字線劃圖的方式進行測試。

2.2 試驗結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，采用3種方法對不同面積大小的區(qū)域進行勘探，計算其誤差距離，研究不同面積參數(shù)下的采空區(qū)測量精度差異，經(jīng)過多次勘探，得到以下3種對比結(jié)果：1）當勘探區(qū)域面積為100 m2時，3種方法勘探結(jié)果見表1。2）當勘探區(qū)域面積為300m2時，3種方法勘探結(jié)果見表2。3）當勘探區(qū)域面積為500m2時，3種方法勘探結(jié)果見表3。

結(jié)合表1～表3數(shù)據(jù)可知，在同一勘察區(qū)域內(nèi)，采用所提方法進行勘探，其測量誤差隨著次數(shù)的增多而縮小，在不同勘察區(qū)域內(nèi)，隨著勘察面積擴大，其勘察誤差逐漸變大，當勘察區(qū)域為100m2時，其誤差最大可達到0.09m，最小可達到0.03m，當勘察區(qū)域為500m2時，其誤差最大可達到0.21m，最小可達到0.12m，無論是對大面積勘察區(qū)域進行測量，還是對小面積勘察區(qū)域進行測量，所提方法測量誤差均小于2種傳統(tǒng)方法，由此可知，采用所提無人機航測技術(shù)應(yīng)用效果更佳。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟水平的快速提高，對能源的需求量也在不斷增加，因此加強對露天礦山采空區(qū)勘探工程的關(guān)注是非常必要的，可以提高煤礦的開發(fā)效率，為國家的經(jīng)濟發(fā)展提供更多的動力。在煤礦開采過程中，利用無人機航測技術(shù)，對黃土丘陵地區(qū)深厚的礦層進行有效探測，取得了良好的效果，并且得到真實、詳細的勘測數(shù)據(jù)，其分辨率比較高。利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)處理技術(shù)并進行數(shù)據(jù)反演，可以更準確地對礦井地層的基本情況進行分析和判斷，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和分布情況等，進而可以確定礦井采空區(qū)的具體位置和空間范圍，為制定實際的生產(chǎn)開發(fā)戰(zhàn)略提供有針對性的指導(dǎo)，降低了安全風(fēng)險，提高礦山開發(fā)的效率和質(zhì)量。

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