旋翼无人机航测技术在露天矿山开采中的应用

（云南先锋煤业开发有限公司，云南 昆明 655211）

在露天矿山开采过程中，为了采剥生产正常接续，保障边坡安全，要定期对生产作业区和边坡进行测量，为采剥量计算、边坡稳定性分析奠定基础。如今矿山测量采用最多的是GPS RTK测量技术，这种传统技术具有集成、自动化程度高的特点，在一定程度上提高了矿山测绘效率，但是由于传统测绘均是采用单点接触式测量，对于露天矿中的陡坡、深沟及滑方区域，测绘人员难以到达且存在的安全风险[1]。近年来，随着无人机航测技术的不断发展，无人机测绘技术已开始被部分露天矿山企业应用于露天矿山开采中，意在提高测绘效率和安全系数。

1 民用无人机的分类及特点

目前民用航拍无人机按照机翼种类的不同，主要分为固定翼机与旋翼机两大类。

固定翼无人机特点：①载重量相对较小，对拍摄器的重量要求较高，目前只能搭载如GOPRO、卡片机之类体积小、质量轻的拍摄器材；②飞行时机身晃动幅度较大，抗风能力比旋翼机差；③只能掠过式拍摄，不能悬停，不能实现倾斜摄影[2]；④速度快，航程长，效率高于旋翼机。

旋翼无人机特点：①垂直起降，可悬停，飞行灵活，易于控制，拍摄角度多变，并能够实现精确悬停，定位拍摄，可够实现倾斜摄影，可更好更直观地建立拍摄区域的三维模型；②旋翼无人机对复杂的地理环境、天气有很强的适应性，抗风能力强于固定翼无人机；③功能丰富，作为良好的搭载平台，更多地应用于工程测绘、救灾、农业播种等领域[2]；④飞机耗电强度大，飞行速度慢，单次航程和工作效率低于固定翼无人机。

2 旋翼无人机在露天矿开采中的应用

旋翼无人机因其飞行灵活、抗风能力强、扩展功能多、能实现倾斜摄影等特点，逐渐在中小型露天矿山中开始被应用。云南先锋露天矿是位于云南高原地区设计年产能390万吨的中型露天矿，该矿结合山坡地形条件、常年多风和矿区面积大小适中等实际情况，选用了P550六旋翼无人机搭配五镜头倾斜相机建立了矿山无人机测绘系统，可应用于露天开采过程中的采剥量计算、边坡监测及稳定性分析等工作。

表1 P550无人机设备参数

表2 五镜头倾斜相机参数

先锋露天矿利用该套旋翼无人机及五镜头相机搭建的测绘机制和应用流程为：通过与无人机匹配的飞行控制软件，规划无人机航线，五个镜头分别从前、后、左、右、垂直的倾斜角度拍摄测区影像。航拍时，同时记录航速、航高、航向及旁向重叠、坐标等参数，然后把采集的多视角影像数据拷贝到计算机，利用离散点云，采取三角网构建算法中的分治算法构建不规则三角网(Triangu1ated Irregu1ar Network，TIN)，生成航测区域的数字高程模型（DEM），也可通过专业的建模软Smart 3d件构建高分辨率的三维实景模型，然后通过建立的模型应用于露天矿开采过程中的相关环节。

（1）应用于露天开采过程中的采剥方量计算。将露天矿开采前后预处理得到的DEM模型应用到矿业工程三维软件3DMine中，先在3DMine中将DEM模型装换为DTM表面模型，通过开采前后的DTM表面模型，建立封闭的DTM模型，最后将封闭的DTM模型分为若干个方格并建立封闭表面模型内的块体模型，对每个方格按照长方体进行体积计算，最终通过将各个方格网累加得到工程量计算区域总工程量[3]，并分别得到采矿量和剥离量。先锋露天矿选用的航测旋翼无人机，每架航次有效作业时间为30分钟，可航拍0.8km²，两个架次就能完成整个采坑的航拍，测量技术员的野外作业效率较传统的RTK测量方法提高了近十倍。

（2）应用于露天矿边坡监测及稳定性分析。通过该套航测系统预处理得到的数字高程模型 (DEM) 是分析露天矿边坡稳定性的重要基础工作，建立的DEM模型可转换成GRD、DXF等多种格式的数据文件，结合PFC3D、F1ac3D等数值模拟软件可实现露天矿边坡的稳定性计算和分析。

（3）在露天矿灾害可视化及边坡灾害预警方面的应用。预处理得到的数字高程模型（DEM）上可以显示地形起伏，并可添加文字符号及地图要素等多种数据，在保证DEM 数据、航测影像及地图要素等的位置坐标一致的前提下，能实现露天矿灾害的三维可视化建立。经过镶嵌纠正处理后的航拍影像能够提供清晰完整的地物信息，并可快速成图，满足露天矿灾害的定量评估与地物解译要求。

此外，对数字高程模型上的每个三角单元逐个进行纹理映射，可制作更加逼真的露天矿边坡三维数字模型，从模型上量取滑坡区域的宽度、长度、面积、坡度、高程、体积等信息，可完成露天矿滑坡灾害定量评估，为开展边坡监测预警工作，并有针对性地编制防治预案奠定了基础。

3 结论及展望

旋翼无人机航测技术能极大地提高露天矿山开采过程中的野外测量效率、减少技术员劳动强度、提高测量作业安全系数，在先锋露天矿的试验运用结果表明，通过航测数据辅以相应的计算机软件取得的采剥算量、边坡监测及稳定性分析等成果能达到露天矿山安全生产及质量标准化要求，现在存在的主要不足是，航拍数据处理对计算机软硬件以及技术员的业务素质要求比较高，利用航拍数据建立三维模型的效率相对较低，内业作业时间比起传统测绘技术长，总的说来，无人机航测技术在露天矿山开采中有较好地应用前景。