无人机遥感技术在矿山地质环境监测中的应用研究

2021-12-04王宏沛

世界有色金属 2021年17期

王宏沛

（江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏徐州 221004）

1 无人机遥感技术理论分析

1.1 遥感技术概念

遥感技术主要就是指非接触、远距离的勘测技术。在遥感技术使用期间，需要使用传感器探测物体电磁波辐射、发射特征，并通过接收及分析此类特征，在远距离、非接触的情况下探测目标物。遥感设施需要获取反射、辐射或散射类电磁波，并将此电磁波进行提取、判定及加工处理。

在遥感技术应用期间，主要借助人造地球卫星、航空等平台上的遥感设施，对被监测与管理地区的地质环境、水文条件、生态资源等进行全面监控，通过获取物体中的电磁波特征，实现对物体定时、定位及定量等监测目标。

1.2 无人机遥感技术系统

无人机遥感技术主要就是应用先进的无人驾驶飞行器、GPS差分定位技术以及遥测遥感技术，对国土资源、自然资源等各数据信息进行智能化采集、高效处理，建立被监测对象的三维数据模型。

1.3 无人机遥感技术在矿山地质环境监测中的应用优势

无人机遥感技术在不接触被测物体的前提下，将物体周边传感器信息以数字或图形方式展现出来，实现对物体的全面测量与探究[1]。收集到的遥感遥测地理信息是判定未来矿山建设条件、建设制约因素的重要依据。相较于传统监测技术而言，无人机遥感技术在矿山地质环境监测中的应用优势主要体现在以下几个方面：第一，优化信息获取路径。通过使用无人机遥感技术，可以优化数字影像获取路径，将相片全部进行数字化处理，并通过特定数据分析后进行充分利用。同时，无人机遥感技术具有十分显著的自主性特征，可以依照既定飞行路线完成自主飞行、自主测量工作，对航线的控制精准度更高；第二，测量精度高。无人机遥感技术在实际使用期间的信息容量大，实际测量结果精准度更高，确实提升了测量信息的实际利用率。由于无人机遥感测量期间，不需要较多工作人员参与，实际经济效益更高。通常情况下，无人机飞行高度可在50m～4000m之间，高度控制精准度在10m以内。无人机飞行速度可保持在70～160公里每小时，在矿山环境监测工作中获得的图像具有极高分辨率；第三，动态性强。矿山建设期间的场地条件长期变化，因此需要配合使用无人机遥感技术，对场地环境进行动态观测，并对场地可能出现的地质灾害风险做出准确预估[2]。同时，无人机遥感技术需要在无人机遥感系统进行矿山地质环境监测工作，该系统的自动化与智能化水平较高，实际操作更为简便，切实提升地质环境监测水平；第四，监测范围广。在矿山地质环境监测过程中，无人机遥感技术不会受到空间或复杂地形条件的过多限制。相较于其他监测手段而言，无人机遥感技术更为独立，实际监测范围广，能够帮助相关工作者第一时间获取到地质环境参数。由于无人机遥感技术在任何条件下均能够实时回传视频信号、在视频终端形成清晰图像，存在于矿山地质环境中的细微安全隐患问题也能够被及时发现，为从根本上提升矿山实际开采的质量与效率奠定了坚实技术基础。

2 无人机遥感技术在矿山地质环境监测中的作业流程

2.1 矿山环境治理无人机遥感监测流程

在矿山实际建设与运营工作中，环境治理工作是重要的管理项目之一，对矿山能否实现可持续发展目标意义重大。在将无人机遥感技术应用在矿山环境治理过程中，需要涉及前期准备、基础资料检查、无人机数据获取、影像处理、成果外业核实等环节。

无人机航拍是无人机遥感监测的重要环节之一，在无人机起飞前，需要事先收集场地资料、做好空域协调工作。对被拍摄地区进行航线设计与规划，确定无人机起降场地时间。在矿山地质环境治理期间使用无人机遥感监测技术，需要配合使用无人机及自带软件系统，收集并处理基础遥感数据，监测航行进展，发送相应的指令。

2.2 矿山内业工作无人机遥感监测流程

在无人机飞行后，工作人员需要下载并整理相应数据。对单片原始影像数据、工作流程内相机内定、畸变纠正、影像匹配、像控点空中三角测量、正射影像纠正、环境整治遥感监测图像等信息进行制作。首先，收集单幅遥感图像、飞行姿态数据、曝光点坐标及时间等，将此些数据装表备用；其次，对遥感图像进行拼接处理，将众多单幅图像拼接成一幅完成的区域遥感图像，此图像可以指具备粗略的地理属性；最后，将空中三角测量作为实际测量原理。对遥感图像进行几何校正、生成具有地理意义的遥感图像，提交相应的图像成果。

借助相应的图像处理软件，对航拍所获得的图像数据进行全自动处理，生成空间参照的各类形式图像及数据高程模型，编制成简单易懂的图像报告。

3 无人机遥感技术在矿山地质环境监测工作中的应用要点

3.1 制作DOM

注重在无人机遥感技术应用过程中，做好空三加密工作。空三加密主要就是在立体摄影测量工作中，依照少量以外实测地面控制点，确定全部影像外方位元素，对后续测图成果进行加密处理，为相关工作人员提供内业控制点的平面及高程坐标。空三加密工作主要是为控制野外控制点提供的绝对定向点，需要配合使用专用软件处理数值，通过光束法平差计算空中三角测量结果。

生成DEM。DEM的生成工作需要由控制精度及地形高差变化决定。DEM数值还应依照矿山地质环境监测要求进行人工修改，剔除误差数据，切实满足DOM制作要求。生成DOM。结合无人机遥感影像，在影像镶嵌后，对DOM数据进行多项式配准纠正，提升遥感影像数据的利用率。

3.2 变化图斑信息提取

借助遥感图像处理软件，采用监督分类方式，对矿山地质环境遥感监测数值内部变化信息进行初步识别。其中，矿山环境信息主要包括矿山开采点位置、开采情况、开采矿种、固体废弃物分布情况、植被受损程度；矿山开发引起的地质灾害信息主要包括地面沉降范围、沉降地点、山体垮塌范围、坍塌位置及滑坡位置。

3.3 野外调查验证

在矿山地质环境监测工作中，主要包括野外勘探与野外实地验证两项内容。通过细致分析监测区域地质环境特征，配合使用点线面相结合的方式，开展野外实地调查工作，是保证矿山开采高质高效开展的必要手段。

在野外踏勘期间，需要明确监测重点区域，注重验证重点区域确定的合理性。踏勘时需要对矿山进行实地考察，收集相应的矿产资料，充分了解被监测区域内矿种类型、位置及规模。在野外实地验证过程中，需要首先做好室内信息提取工作。验证室内建立的专题信息，确保信息具有一定的准确性及代表性。对存在疑问的信息进行补充与修正。针对矿山地质灾害形成的影响因素，如地形坡度、地质结构发育程度、植被发育程度等，在遥感影像图上圈定可能出现隐患问题的地质区域，为后续矿山开采期间应急方案的制定提供重要理论依据。同时，在使用无人机遥感监测技术过程中，可使用GPS技术、RTK技术，对获取到的监测数据进行细致检查。配合使用抽样检查方式，评估环境监测影像数据质量，切实提升无人机遥感监测水平。

4 无人机遥感技术在矿山地质环境监测工作中的应用效果评估

本文以某矿山工程为例，该工程具有多年的开采历史，表面构筑物已经出现了裂缝及倒塌问题。实际开采过程中敷设的管线对周边线路及地面造成不利影响。在矿区实际开采过程中，产生的噪声及粉尘也使周边生态环境发生了不同程度变化。仅采用原有环境监测技术，无法充分获取到矿山周边环境的影响情况。因此在对比分析不同监测技术的可行性与经济适用性后，选择使用无人机遥感技术对矿山地质环境进行整体航拍，借助获取到的监测数据，平谷县有矿山实际情况。

矿山地质环境治理工程历经60天，影像数据采集为7天、数据处理为5天。相较于单一遥感监测技术而言，无人机遥感技术的应用效果更为显著。

由于无人机对周边飞行环境的要求较少，不需要设置专用机场及跑道，监测时的效率更高；无人机监测技术成本低廉，系统价位较低，实际搬运组装较为便捷，所需花费的人力成本较少。

无人机遥感技术也能够快速获取遥感图像，从准备航飞到获取图像的周期段，在图像获取后能够立即处理监测结果，监测数据的时效性显著，更加有利于矿山工程石灰岩，水泥灰岩等实际监测工作高质高效开展。

无人机遥感技术可以满足低空数字摄影测绘内业规定，其监测精度可以达1:500、1:1000、1:2000等大比例尺寸精度要求。

但就目前来看，在无人机遥感技术实际使用过程中，还存在以下问题亟待解决：第一，无人机系统能够采集到的影像图幅小，重叠度与畸变率较大，容易在实际运行期间出现漏拍问题，导致后期空三自动变化程度与精度下降，相应的处理工作较多。在矿山地质环境监测过程中，无人机遥感技术还是要配合现有或地形图资料设置GCP点数据与分布区域，以便从根本上提高监测数据的几何纠正精度；第二，无人机需要受飞控系统控制，自身质量小、惯性小，飞行姿态的稳定性无法从根本上保障。在无人机飞行稳定性下降的情况下，采集的数据排列并不整齐，需要对现有飞行硬件平台进行功能改善，从根本上提高平台的稳定性；第三，基于当前无人机遥感监测期间存在的各类问题，还需要在无人机影像数据自动化与专题化处理软件的研发工作中投入充足的人力，从根本上提高无人机遥感数据监测水平，增强矿山地质环境监测结果的全面性与精准度。