无人机技术在我国大型露天矿的应用及发展

陈 浩，孙健东，陈 需，许 晨，周 宇，王 韬，林钰淇，刘 鑫

（1.准能集团 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.华北科技学院 安全学院，北京 101601；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

随着信息技术的发展，无人机技术在军事、气象、航空等领域获得了成功的应用。针对露天矿生产作业范围大、空间位置变化快、设备和人员在开放空间重复性持续性作业劳动的特点，在地质测绘、生产施工监控、管理调度、安全监管等环境引入无人机技术，可更加直观、快速、安全地获取矿山生产中的动态信息甚至替代人执行特殊作业，无疑成为矿山减人提效的重要途径。

在分析无人机技术的基础上，对应用案例进行归纳与分类，结合露天矿山生产中各方面的实际需求，从技术可行、经济合理、安全可靠、合法合规等方面，系统地讨论露天矿山生产中可行的应用场景，并提出未来研究及应用中应重点考虑的问题。

1 无人机系统及技术

1.1 无人机系统

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用自备的程序和无线电遥控设备控制装置操纵的不载人飞机，由无人机机体、发射回收系统、机载信息传输系统、飞行平台系统、地面信息传输系统、任务载荷系统组成[1]。无人机系统组成示意图如图1。无人机负载数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像传输和处理，实现对地理信息的调查与监测。无人机的诞生可以追溯到1914 年，当时主要应用于军事领域，用数十年的时间完成了由军用转向民用、由大型化转向小型化的过程[2]。

图1 无人机系统组成示意图

按照飞行器的飞行原理及结构，无人机一般可分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、无人飞艇、无人伞翼机等。固定翼与多旋翼形式的无人机是当前的主流飞行平台，在续航时间、飞行高度、负载能力及操作距离等性能参数方面固定翼优于多旋翼，而在精准悬停和灵活程度等性能方面多旋翼又高于固定翼。

考虑到固定翼无人机航时长，飞行高度高，适合进行露天矿大面积的数据采集。而多旋翼无人机则更加灵活，并且可以精准悬停，适合露天矿小面积的数据采集。

1.2 无人机测绘技术

无人机仅作为一个飞行平台，通过搭载不同的任务吊舱进而实现任务的执行。以无人机测绘为例，目前应用最为广泛的是利用非量测型数码相机获取地形地貌信息，辅以外业的数据采集，经过内业的数据处理后，形成“4D”产品和实景三维模型，为露天矿的剥离量计算等提供依据，无人机测绘作业流程示意图如图2。

1.2.1 外业数据采集

外业方面数据采集的方式主要包括垂直摄影测量和倾斜摄影测量两类，在搭载相机数量、获取地面信息质量和数量等能力方面倾斜摄影测量较好，但是相应的数据处理速度较弱。

图2 无人机测绘作业流程示意图

无人机垂直摄影测量通常采用飞行平台搭载单镜头相机，获取地面影像，单架次仅能获取下视视角的影像[3]。无人机倾斜摄影测量在垂直摄影测量的基础上，增加了倾斜角度的镜头，一般从5 个角度来获取地物影像。

无人机垂直摄影测量生成相关地型产品的效率更高，适用于大面积测绘工作，如露天矿大范围的测量验收；由于增加了地物的纹理，无人机倾斜摄影测量的产品更能真实反映露天矿地物样貌，可清晰直观的展现出采场状态，产品效果远优于比正射的点云模型，适合进行小面积测绘工作。

倾斜摄影已成为当下摄影测量领域的一个新的研究热点，国家测绘地理信息局也已经把倾斜摄影作为一项新的技术手段进行推广[4]。但受限于硬件成本，近年来单镜头倾斜影像采集技术逐步替代多镜头倾斜影像采集技术，很多学者也已经验证了该技术的可行性，并且单镜头在视角灵活角度、续航影响拍摄性能及画质方面取得极大突破[5]。

考虑到单镜头倾斜影像采集技术本质上是通过多架次飞行、多角度调整来替代多镜头倾斜影像采集技术，因此效率较低，适合在露天矿小面积区域作业，例如排土场局部边坡三维模型的构建。

1.2.2 内业数据处理

当前内业数据处理主要基于计算机视觉原理，利用二维影像构建三维模型[6]。无人机倾斜摄影测量建立三维模型的关键技术主要包括多视影像联合平差、多视影像密集匹配等关键内容。

目前，普遍使用的多视影像联合平差方法是根据SIFT 特征提取算法对影像进行特征提取，建立连接点和连接线、像控点坐标以及POS 数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合平差计算，得到每张像片的外方位元素以及所有加密点的物方坐标[7]。

虽然SIFT 算法能够精确地提取出影像中的特征点，但其匹配结果不够密集，而多视影像密集匹配可以利用影像中的大量冗余信息解决影像匹配中存在的匹配错误问题，最大程度地解决遮挡问题，匹配结果相对密集，所以多视影像密集匹配是获得建筑物三维空间信息的关键环节。

首先采用多视影像空中三角测量获取精确的影像外方位元素，结合CMVS（Cluster Multi-view Stereo）方法对影像采取聚簇分类，目的是减少数据量。聚簇以后再由PMVS（Patch-based Multi-view Stereo）方法通过初始特征匹配、膨胀、过滤3 个步骤对同一物体不同角度的多幅图像完成密集匹配，获取密集的三维点云[8]。

内业数据处理主流的自动化软件有Context Capture、Photo Scan、Pix 4D Mapper 等[8]，但后两者无论在软件体系、输出格式、精细化程度及后期处理等性能方面都优于前者。

1.3 无人机技术主要应用案例

无人机技术已经成为成熟的技术，当前主要应用案例见表1。

表1 当前无人机成熟部分应用案例

2 无人机技术在露天矿应用场景分析

2.1 露天开采设备的安全巡检

露天矿大型设备种类、数量较多，设备能否正常作业直接决定了露天矿的原煤产量，所以为了保障大型设备正常工作，对设备进行定期的安全巡检是露天开采的重要任务。传统大型设备的安全巡检方式一般为人工徒步巡检，不仅费时耗力，工作效率低，劳动强度大，而且目视检查难以覆盖设备的所有部位，很难全面发现潜在的安全隐患，致使一些本应发现的事故隐患未能及时发现[9]。

引入无人机巡检技术，可以有效地克服上述问题。提前制定巡检路线，对于在采场作业的大型设备应重点巡检，在巡检过程中，通过无人机搭载的红外热成像相机，在无人机巡检过程中可以有效的识别大型设备的温度异常、流体介质泄漏、火灾烟雾等隐患；通过搭载倾斜摄影相机构建采场实景三维模型，清晰直观的展现设备作业情况，做好隐患排查的部署工作，极大限度的保障人和设备的安全工作。

2.2 露天矿工程测绘

露天矿生产就是大型土石方移运工程，随时准确测定采场、排土场各个工作面的空间位置、计算工程量是露天矿日常技术管理的主要内容之一。

无人机因其较高的灵活性、高效性可以替代现场人员进行特种作业，保障测绘人员的安全、完整地获取数据，为生产计划提供可靠的依据。例如传统的测量验收方式存在理想关键点采集难、采集数据工作效率低、安全系数低、呈现效果不理想等不足，应用无人机测绘技术进行测量验收可代替传统的测量验收方式，中煤平朔集团已经应用无人机技术进行剥离量验收，并且无人机采集的数据较为精确。

随着科技的不断发展，露天矿测量智能化建设的步伐不断加快，传统的测绘方式已不能满足现场需要，而无人机搭载倾斜摄影测量设备和三维激光扫描设备可以实现测量工作的少人作业，初步实现露天矿测量智能化，露天矿测量智能化如图3。

图3 露天矿测量智能化

2.3 露天开采边坡工程动态监测及控制

伴随露天采矿深度和边坡角度的不断增大，边坡的稳定性问题会给矿山的安全生产带来隐患，容易发生人员伤亡等生产事故[10]。考虑到露天矿边坡几何形状由于自然条件以及采矿工艺的影响具有复杂性，传统的测绘方式难以进行全面描述，目前露天矿山普遍应用三维激光扫描技术进行边坡滑坡监测。但是，由于受扫描速率和扫描距离等因素限制且价格昂贵，该技术在特大型边坡地质灾害监测领域应用有限[11]。鉴于上述问题，采用无人机测绘技术，为露天矿边坡滑坡动态监测、灾害分析、预测提供可靠的三维模型数据支持[12]。

利用无人机测绘技术获得的露天矿边坡影像，建立数字高程模型（DEM），研究边坡滑坡地质灾害，通过结合传统的FLAC3D等数值模拟软件进行露天矿边坡的稳定性分析计算[13]；对于发生滑坡灾害，可以完成滑坡灾害的定量评估，为露天开采软岩边坡的控制及监测提供详实的基础空间数据。

2.4 露天开采生产调度管理智能化

随着智能化露天矿的不断发展，其建设要求以模型进行精细化的生产管理，而传统的露天矿模型更新周期长、包含信息少，一般只能做概率性的生产计划，时效性差，达不到智能化建设的需求。露天开采是露天采场三维地理空间信息在时间维度上动态变更的过程，决定了露天矿智能化生产管理必须具备2 个特征——“三维的”和“时间动态的”。调度应用无人机技术可以较好的解决上述问题，以时间维为主线，将若干利用无人机测绘技术建立的矿山三维模型及其演变所形成的模型序列纳入时间维度下管理，形成可供量测和空间分析的动态三维时空数据库，进一步形成可进行可视化操作的时空演化模型。在露天矿进行生产时，利用无人机获取生产一线的信息，准确掌握现场的作业进度、环节接续关系以及设备的运行状态，为决策层提供及时准确的决策依据，大幅提高工作效率，能更好的满足露天矿各部门生产管理的需要，为精细化生产管理铺垫坚实基础；在露天矿闭坑后，可作为历史的载体，形成露天矿的时空档案馆。

2.5 露天开采生态修复与复垦技术

矿区土地复垦是我国矿区生态修复的必然选择，也是缓解人地矛盾、恢复生态环境的重要举措[14]。传统的生态修复一般都是依赖卫星影像数据，获取土壤、植被、水体等环境信息，但露天矿生态极为脆弱、部分区域处于动态变化之中，传统的生态修复方式存在影像数据不精确、更新不及时等问题，所以矿区生态修复工作将会非常艰难。

近年来无人机技术的快速发展，具有高效、便捷等优点，可以快速地获取露天矿生态修复地区的影像数据，较好的弥补传统卫星影像数据的精度不高、更新不及时等不足。矿区生态修复主要分为前期的修复规划和方案编制，中期的修复工程的方案实施和工程验收等，及后期的修复效果评价和监测[15]。矿区生态修复前期通过无人机遥感获取待修复地区影像数据，建立三维模型和正射影像图（DOM），进行未修复矿区的细分类，计算相应的区域面积以及地形的坡度等，制定前期的修复规划；在中期的修复工程中，可以利用建立的三维模型实时计算需要回填的土方量，并且可用于矿区的修复工程管理上；后期将矿区修复前后的数据进行对比分析，进行生态重建效果评价，对于矿区复垦的植被进行定期的监测与保护。

3 无人机技术在露天矿应用存在的问题

1）气象条件。露天矿大都处于山区，气候多变，无人机野外作业易受温度、雨雪、风暴、雷电等气候的影响。例如中煤平朔露天矿地处山西朔州，从四月起露天矿常刮大风、经常降雨，这对每个月的验收工作造成一定的影响。再如白音华露天矿地处内蒙古西乌旗、华能伊敏露天矿地处呼伦贝尔，冬季都十分寒冷，常刮大风，都会影响无人机野外作业。

2）续航时间及安全风险。无人机实时飞行时，影响无人机航程和续航时间的因素较多，如无人机几何形状、无人机自重、有效载荷、飞行速度、无人机控制规律、无人机导航方式等，都对无人机的航程和续航时间有较大的影响，也就是说，无人机的航程和续航时间不是定量[16]。在无人机实际飞行时，如果能够实时估算无人机的航程和续航时间，将有利于无人机飞行任务制定、航线设计、有效利用留空时间等，从而提高无人机的有效利用率。

3）法规政策。随着我国近年来对无人机监管力度加大，国家也相继出台了一些法律法规，多方面、多角度地对无人机进行监管。例如国能宝日希勒露天矿附近有海拉尔机场，虽然在限飞区之外，但在使用轻型无人机进行外业飞行时，根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》条例规定，在不申请空域情况下，这种轻型无人机能够飞行的最大相对航高为120 m，如果想要进行更大航高的飞行时，必须要向当地空军申请空域，而且飞行员必须要考取国家认可的飞行员证[17]。

4）布设像控点及刺像控点。虽然通过无人机技术得到的点云三维模型的精度达到了要求，效率比传统测绘方式提高了很多，但是外业布设像控点及内业刺像控点还是相对耗费时间。例如在中煤平朔东露天矿进行外业采集12 km2的正射影像数据，计划布设20 个像控点，2 组人员同步进行布设（每组10 个），用了近3 h；内业应用PIX4D 软件建立点云三维模型，刺像控点需要近1 h，如果采用无人机倾斜摄影测量，内业刺像控点的时间会更久。针对此问题，如果外业采集可以免像控，内业不需要刺像控点，将会大大提高工作效率，也是未来无人机测绘技术发展的趋势。

4 结语

无人机技术作为一种全新的、全方位的感知技术，已经在我国大型露天矿逐步应用起来。无人机技术在大型露天矿的应用是跨学科、跨领域的交叉应用研究，将无人机技术应用在其它领域获得的成熟经验借鉴到露天矿山生产之中，可以辅助露天矿山实现绿色、安全、高效的发展目标；无人机测绘技术可以高效、精确地构建露天矿山地表三维模型，凭借其独特的优势，可以替代露天矿山传统的地质测绘方式；虽然无人机技术的快速发展为露天矿山带来了福音，但也要充分认识到无人机技术在露天矿的应用过程中也会存在问题，我国露天矿山的气候条件较为恶劣，这将会成为限制该技术在露天矿山推广与应用的主要因素；未来无人机技术在露天矿山的应用过程中，应与其它高新技术结合起来，推动我国大型露天矿不断地向少人化、智能化方向发展。