轻小型无人机航测技术在露天矿山中的应用现状与展望

2019-01-18张兵兵张中雷廖学燕孙钰杰崔晓荣

中国矿业 2019年6期

张兵兵，张中雷，廖学燕，孙钰杰，李波，崔晓荣

(1.宏大爆破有限公司，广东广州 510623；2.大昌建设集团有限公司，浙江舟山 316021；3.四川省安全科学技术研究院，四川成都 610062)

0 引言

无人机航测技术具有耗时短、数据采集精度高、成果三维可视化程度高等特点，已成功应用于城市规划、农林测量、应急救灾、地形地貌测量等方面。李德仁等[1]从无人机飞行平台、飞行姿态控制与导航、传感器技术等方面分析了无人机航测存在的问题及应用前景。刘聪等[2]、章梦霞等[3]分析了露天矿区的特点，采用低空无人机遥感测绘技术，得到了矿山的三维数字模型，满足1∶2 000比例尺成图精度要求。袁修孝等[4]利用自行设计的GPS辅助低空航摄系统，在大于100 km2的区域仅布置4个地面控制点，且满足平地1∶500的地形测图的精度要求。近几年，随着无人机类型的小型化、系列化开发取得突破性进展，包括固定翼、复合翼、多旋翼等多种机型，加上飞行控制系统的智能化、集成化，性价比越来越高，安全性越来越好，操控也更加简便，基本摆脱了传统测绘行业的专业束缚。新型轻小型无人机的采购单位、应用领域和操作人员均逐步从专业的“测绘属性”，转向各行各业开始普遍推广应用的“大众属性”，相关技术参数指标已经达到甚至优于传统的专用轻小型无人机测绘系统。

露天矿山地形复杂多变，导致传统测量难度大、效率低、成本高，迫切需要一种更为高效快捷的测量手段，应用于露天矿山资源开发的全生命周期中[5-6]。新型轻小型无人机航测技术的突破，使之常态化地自主进行无人机测绘的外业和内业作业成为可能。但是，该技术虽在露天矿山开采领域有不少成功应用案例，但仍不普及、不系统、不全面、不深入，没有充分发挥新手段、新技术的优势；未能做到全方位、全周期地应用所获测绘成果，用以提高露天矿山资源开发利用的技术管理水平。

综上所述，总结新型轻小型无人机在露天矿山的推广应用情况和成功经验，分析发展趋势，具有重要的指导意义。

1 无人机航测支撑技术的发展

轻小型无人机航测系统，依赖于无人机航测相关支撑技术的发展和瓶颈突破，特别是无人机硬件、无人机飞控系统、测量仪器和测量数据处理软件四个方面。

1.1 无人机硬件的发展

近年来，各种复合高强度轻质材料的出现，如玻璃纤维、碳纤维等逐渐取代传统材料，使无人机具有质量轻、体积小、强度高、耐腐蚀性能高等特点，极大地保证了机身的稳定性和安全性。太阳能电池、新型聚合物电池及混合动力能源应用于无人机动力方面，飞行参数稳定，可更好地满足航摄飞行的技术指标要求。

基于上述新材料、新动力技术的发展，出现了复合翼无人机和多旋翼的无人飞行器两种新机型。新型复合翼无人机，兼具固定翼飞机及旋翼直升机的优势，起飞和降落时通过旋翼升空或降落，其他阶段通过固定翼高速飞行，同时较好地保证升降和前拉动力能量的合理分配，有利于无人机的安全起降与平稳飞行，是使用范围广、航测效率高的新机型，主要用于较大区域的测绘。多旋翼无人机通过飞行控制器与GPS定位的辅助，改变每个旋翼的转速可达到精准控制无人机姿态，如悬停、旋转、翻滚等动作，可在短时间内到达指定工作区域，迅速实现垂直起降操作，具有飞行稳定、定位精确、机动性好、航测精度高、可搭载航测设备种类多等优势[7-8]。但由于携带多个电动机，导致航测时间相对较短、飞行效率降低，主要用于中小区域的测绘。

因此，新型无人机硬件的发展，首先依靠新材料和新动力能源的基础技术支撑，带动了无人机机型的变革和发展，催生了垂直升降的固定翼无人机和多旋翼的无人飞行器等新型无人机；具备价格较低、飞行性能好等属性，且摆脱了传统测绘行业的专业束缚，是普遍推广应用的前提和基础，促使了市场竞争机制的发挥，加速了无人机的发展和转型升级。

1.2 无人机定位与控制技术的发展

无人机是搭载测量仪器的平台，也需要满足所搭载测量仪器的技术参数指标要求。主要体现在无人机的姿态控制与精确定位技术两个方面，无人机姿态控制系统获取了测量瞬时无人机的航偏角、俯仰角和滚转角，其与描述像片空间姿态的角元素存在对应关系；借助无人机的精确定位技术，获取无人机在测量瞬间的空间位置，其与测量仪器的摄影中心点空间位置相对固定，可简单进行空间位置换算。

基于无人机航测实际需求的改变，非线性动态控制、神经网络智能控制和组合导航等方法的应用范围更广。通过动态控制，可从不同方面提高无人机的飞行性能，降低气流、干扰源等对无人机航测过程的影响，保证整个飞行计划中的控制效果，实现平稳飞行。

在新型轻小型无人机精确定位方面，实时差分全球定位技术是一种新型常用的卫星定位测量方法，普遍应用于飞行速度相对较慢的多旋翼无人机的精确定位。事后差分全球定位技术，不能提高导航精度，但是能够通过事后数据处理精确地获取测量瞬间的无人机位置，其不必实时进行无人机空间位置的定位计算，因此受卫星数和信号强弱的影响小，普遍应用于飞行速度相对较快的固定翼无人机。

1.3 测量仪器的发展

随着高分辨率单镜头数码相机的发展，机身质量更轻，光学成像精度和图像分辨率越来越高，校验后的单反数码相机已经能够满足无人机低空摄影测量的要求。尽管其并不能直接描绘被测区域的全貌，但测量效率高，可通过后期的图像解析复原被测对象的三维属性和颜色属性，是一种经济且高效的航空测量手段。

各种新型先进的传感器也不断涌现，如三维激光扫描仪、小型多光谱/超光谱成像技术、合成孔径雷达技术、Li-DAR成像技术等；不仅可以获取地形地貌，还可实现被测区域色彩的区分及危险源的辨识。且高精度传感器的体积及重量日渐趋于小型化，传感器的运行也更为平稳，可较好地反映被测区域的清晰画面，实现实时拍摄的目的，但是测量效率明显低于低空航测。传感器的综合化及模块化使用，使得测量成图的精度得以保证，具有高分辨率、色彩丰富的特点，具备飞行控制系统通信、获取飞行参数、解算适宜曝光时间、修正曝光时间、实时存储数据等功能，更为智能化。

高性能测量仪器呈现性能更优、体积更小的趋势，不再是搭载能力大、续航时间长的大中型无人机的专属。轻小型无人机搭载的测量仪器，近年来的进展主要体现在以下三个方面：一是在测量仪器的小型化、轻型化；二是测量精度和测量效率的提升；三是测量手段的多样化和集成化，为轻小型无人机开展高精度航测作业提供了保障。

1.4 测量数据后处理软件的发展

无人机测绘配套的测量数据后处理软件也得到了较快发展，其种类较多，主要有PixelFac-tory、Inpho、PixelGrid、DPGrid等软件系统，其基于集群网格化的并行计算，可实现影像的预处理、自动空三测量、同名点的密集匹配及影像的加工等，实现了测量的简单化及智能化。常用的空中三角解析法，可实现航测影像的加密处理，将二维航测图像转化为三维密集点云。此外，立体矢量采集模块可测制矢量地形图，接收无人机航测的图像。GPS辅助空中三角测量的技术也有了一定的研究，取代了传统的地面控制点布设，可较好地保证测量精度[9]。

综上所述，四个支撑技术的发展与集成创新，使新型轻小型无人机航测系统具备了优越的技术和经济性能指标，为推广应用奠定了坚实的基础。

2 露天矿山无人机航测中的应用现状

目前，轻小型无人机航测在露天矿山方面的应用不断拓宽，主要包括矿区监测及植被覆绿情况、矿区地形地貌测量与危险源辨识、土石方量的计量等。

2.1 矿区监测及植被覆绿情况的调查分析

1) 矿区的监测。轻小型无人机的一次航测面积可达5 km2以上，精度高；对于大型矿山而言，一个或几个架次基本可以满足测量需求。对于矿区实际情况的调查、各种隐患的源头监控[10]、露天矿区土地复垦情况及评价等[11]，都有着重要的指导意义。由于矿区的各种扰动效应众多，应考虑不同的测量目的，实现差异化的无人机传感器类型选择。各种高性能及特色相机的使用，可实现矿区基础信息的综合采集，保证矿区的监测效果。

2) 矿区植被覆绿情况的调查。轻小型无人机可在矿山植被生长区域进行快速拍摄，清楚地了解植被的覆盖范围、生长趋势及植被的成活率等，为后期的植被覆绿的评价及后期计划的制定提供参考[12]。结合图像信息的NDVI植被指数提取技术，可获取露天矿山原生植被及后期植被覆绿的范围，成活率及植被的种类、生长密度及长势等，得到植被的变化图斑[13]。最后，可通过现场的实测数据，进行综合分析。轻小型无人机航测在露天矿山植被覆绿情况调查的应用，减少了人工的劳动强度，提高了工作效率，同时保证了检查的质量，有效地改善了矿山植被覆绿的监控现状。

2.2 矿区地形地貌测量与危险源辨识

1) 露天矿区的地形地貌测量。轻小型无人机采用了先进遥感传感器技术、遥测遥控技术、GPS差分定位技术和通讯技术等，利用自带传感器及数据处理软件，可短时间内获取矿区的数字三维模型、等高线分布情况、台阶的实际开采情况等，实现了矿山的数字化建设与信息化处理;且航测的精度较高，地表建构筑物清晰可见，可满足矿山1∶2 000的成图要求。通过地形地貌的测绘，可以清楚直观地了解采场的全貌及局部情况[14-15]。

2) 边坡测量及各类危险源的辨识。露天矿山开采的工序复杂多变，存在着许多安全隐患，可能引起滑坡、泥石流等灾害，进而造成难以挽回的损失。主要有温度异常区、不稳定边坡(排土场)、各种污染源等现象。高分辨率卫星可快速准确地获取矿区塌陷范围，清晰地得知细节信息，为分析塌陷的影响因素及影响程度等提供数据支持。但卫星监测的成本高，难以实现长时间地监控。露天矿山的高温区探测方面，三维激光扫描技术及红外成像技术已有了应用，但探测成本偏高，测量的效率较低，且不够安全。

2.3 矿区土石方量的计量

露天矿山土石方量的确定，对于矿山的生产规划及成本监控、工程款结算等，有着重要的意义。轻小型无人机为矿石方量的计算提供了新的思路，其不受矿山地形的影响，可在短时间内获取相应区域的矿石储量，快捷方便，可行性高。与计算机视觉理论结合，实现了矿山地形地貌的三维模型重建，成本低且测量高效。无人机测量的方法显著提高了测量的工作效率，保障了矿堆体积变化的监测精度，形成了露天矿山工程量计算评估新模式，较好地满足了矿山的土石方量计算及生产计划的要求。

3 露天矿山轻小型无人机航测存在的问题及应用前景

3.1 当前存在的问题

1) 电池续航性能问题。由于轻小型无人机的机身体积及承重能力有限，难以携带多块电池，且目前电池的续航性能一般，如锂聚合物电池，只能维持在1 h左右，对于面积在10 km2以上的大型矿山而言，难以实现一次安全覆盖性的航测工作。一定程度上，增加了航测的工作量，且多个架次需要航测路线的局部重叠，造成了不必要的浪费。

2) 测量精度控制问题。露天矿山测量期间，影响轻小型无人机航测精度的因素较多，主要与获取影像的清晰度、传感器的类型、像控点布置等有关。由于露天矿区开采区域的环境复杂多变，导致控制点的布设存在一定的难度，且受环境及车辆的干扰强，一定程度上导致获取的图像及信息的精度不高，对于后期的储量计算及生产调度指挥有一定的影响。

此外，传感器的类型及灵敏度情况，也是影响航测精度的一大因素。数码相机、三维激光扫描仪、激光雷达等，受制于露天矿山测量的目的，在选取时，应进行综合分析。且无人机航测中，单一的传感器的应用效果并不能达到预期目标。

3) 测量数据处理问题。目前，无人机航测平台多样，均需要配套的专用软件和硬件系统，测量基础数据和数据处理软件的兼容性差，故在数据分析和处理过程中，需要进行数据的分类输入，导致数据处理的前期准备和后期分析工作繁琐，数据耗时长，专业性要求较高。如何能有效统一、简化数据输入、输出的过程和标准，是提高航测数据处理效率的重要方面。

3.2 轻小型无人机露天航测的发展前景

1) 矿区勘查与规划设计。轻小型无人机航测技术可对存在安全隐患的区域进行测量，而且测量效率高、成本低。搭载单反相机的固定翼无人机，几个架次就可以完成矿区及其周边的地形地貌特征的测绘。进行必要的数据后处理，可获得航测区域的三维或者二维地图，直接服务于露天矿山的前期勘探测量、矿区生态环境调查、矿产资源开发利用方案编制和露天矿山规划设计等。

2) 矿山生产计划编制与现场管理。轻小型无人机航测可实现大型露天矿山的全覆盖三维建模，获取整个矿区的实景全貌，及时更新地形地貌，此是生产计划编制和施工现场管理的技术基础。可以及时而准确地了解矿区的宏观采场现状，如开采平台的位置、范围及空间关系等，掌握矿区道路及排土场的空间分布关系等，亦可对重点区域进行进一步的高精度航测，为矿山生产计划编制与现场设备布置提供依据，保证长期生产计划与短期配矿得以良好地实施。

同时，可进行施工现场的调度与管理，例如矿山临时道路的规划与设计、生产计划执行情况检查与纠偏、各平台采剥作业的计量与管理等，有利于现场调度员落实生产计划、合理安排施工设备，使得现场管理决策更加科学化、合理化。

3) 复杂地形测量与工程计量。露天矿山的复杂地形区域及存在安全隐患的区域，例如高陡边坡区域、塌方区域、地下存在不稳定采空区的区域等，可选择高精度的无人机航测方案进行精确测量，快速精确地获取了复杂区域、危险区域的地形数据，生成特定区域的三维数字模型，为制定针对性的施工方案和技术措施奠定基础。在露天矿山工程计量方面，轻小型无人机航测系统可有效进行工程量的圈定与计量，耗时较短，精度较高，极大地改善了工作环境，同时提高了工作效率。

4) 矿山安全监管。轻小型无人机航测技术具有测量效率高、精度高、性价比高的优势，且无需接触危险区域就可以获得高陡边坡周边和排土场全域的地形地貌信息，远程踏勘分析高陡边坡和排土场的局部开裂与滑塌情况，而且所有测量数据的可视性非常好，为科学合理地研究对策与方案奠定基础。另外，借助高效、高精度的航测手段，可获得采场与多个排土场的空间位置关系、排土场的堆积形态、堆积范围变化等数据，及时而精确地反馈排土场的技术参数，从而对排土场进行排土管理与安全监控。同时，可通过对排土场进行定期的间歇性航测，对比两期或多期的航测结果，分析排土场堆积体的形态变化与发展趋势，对排土场的滑塌等安全隐患进行监控与预警。

5) 矿区生态环境监控与闭坑管理。在矿山开发的全生命周期，都可以应用无人机航测技术效率高、成本低、非接触测量安全性高的优势，进行露天矿山及其周边的生态环境监控，及时发现可能的生态环境影响，从而制定环境保护措施和方案。随着国家绿色矿山建设的不断推进，露天矿山的复垦复绿也是矿山生产和闭坑阶段的重要内容，可利用无人机携带专业化的传感器，达到确定复绿范围及植被生长情况等的目的。同时，搭载不同的传感器，可实现区域与植被生长情况的统一调查，分析植被的高度、存活率等，对露天矿山的复绿工作极为有利。