多旋翼无人机测绘在煤矿地质环境调查中的应用

卢艳霞

（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）

社会的发展离不开自然环境提供的生产资料，尤其是矿产资源。对矿产资源的有效利用在某种意义上是人类发展的物质基础，形形色色的矿产资源被人类开发利用，提升了经济也丰富了人们的生活。改革开放以来我国经济获得了飞速的发展，对于矿产资源的需求也愈发增大，尤其是对煤炭等能源矿产的需求更是飞速增长。中国是世界第一煤炭生产大国，主要原因与我国的能源矿产储量现状有关，我国的能源资源禀赋可以用“富煤贫油少气”六个字来概括，煤炭的产量占据世界煤炭产量的35%以上[1]，正是由于这种现状，所以使得煤炭在我国能源结构中占据主导地位。但是我国煤炭储量较为丰富的地区气候恶劣、降水稀少、植被稀疏，随着煤炭开采力度的不断加大，导致了严重的生态破坏和环境污染问题，这些问题一方面严重影响矿区居民的生活，另一方面也对资源的可持续利用造成了影响。所以需要对煤矿地质环境进行深入调查，通过调查可以为煤矿的地质灾害防治和生态环境修复提供帮助，促进煤炭开采与生态环境和谐共生。传统的煤矿地质环境调查大多采用人力点式测量以及载人直升机测量，调查效率较低并且还有较大的安全风险。多旋翼无人机的出现可以极大地弥补这些缺陷，多旋翼无人机轻便小巧、机动灵活，自动化程度较高，可以大大提高测绘效率。

1 无人机测绘在煤矿地质环境调查中的重要作用

1.1 无人机测绘可以获得更加全面的矿山信息数据

我国煤矿的开采主要分为两种形式，分别是露天煤矿及地下煤矿。不论是哪种形式的煤矿开采，随着煤矿开采程度的增加，矿山的环境会发生剧烈的变化。如何预测矿山在开采过程中存在的风险变成了重中之重，这就必须要对煤矿周围的地质环境进行快速的检测，通过检测了解当前煤矿的地形地貌，根据监测情况制定相对应的措施来避免风险风形成。由于煤矿大多在野外，矿区覆盖范围广，环境恶劣，传统方式采集矿山信息耗资大时间长，而应用多旋翼无人机进行测绘则可以很好地改善[2-4]。多旋翼无人机投资成本较小，可以采用多架次联合测绘的方式，将矿山所在区域的地质条件形成完善的数据库，并且还可以加快更新频率，这些最新的地质数据可以为煤矿开采工作提供扎实的支持，煤矿经营方可以准确了解煤矿周围的确切地形从而做出正确的判断，同时无人机测绘中还包含遥感影像，通过无人机航测传输具有较高分辨率的遥感影像，通过建立相关模型对遥感数据进行分析解译，不仅可以了解矿山周围还可以了解内部的地质地貌，帮助政府部门和矿山开发者制定合理的矿山开发方案[5-6]。全面地了解矿山所在地区的地质环境信息，还可以帮助开采人员调整开采方案，最大限度地保护矿山周边环境，由于煤矿所在地区大多处于干旱少雨的环境，这种气候环境下，矿山表面的植被较为脆弱，一旦因为矿山开采不当造成大面积的破坏，将会难以修复。因此，通过旋翼无人机对矿山的信息进行全面及时的测绘，可以有效避免这些情况的发生。

1.2 无人机测绘可以预判地质灾害的发生

威胁矿山运行安全的因素除了生产中的安全之外就是矿山地质灾害，当前煤矿地质灾害主要包括地面滑坡、水土流失导致的泥石流灾害以及矿山山体裂缝。无人机测绘可以将矿山的地质信息生成高清晰度高分辨率的三维模型，测绘之后对数据进行解译，从而发现可能发生的潜在地质灾害[7]。例如，滑坡是矿山较为常见的地质灾害，矿山人员可以根据遥感解译影像中的矿山边坡形态、影像色调、阴影等判断是否出现滑坡，还可以确定滑坡体的边界，确定这些因素之后判断滑坡体的长度宽度，预估滑坡体的规模，从而制定相应的应对措施。工作人员在获取某地三维测绘激光电云数据之后，通过颜色判断哪些地方滑坡概率较大。通过测绘遥感影响解译裂缝的时候，主要通过测绘影像的阴影和纹理判断是否出现裂缝，以及裂缝的宽度长度。同时还可以利用无人机测绘探究裂缝的产生是否与矿山的开采有关，裂缝产生之后，通过无人机测绘将裂缝产生的灾害区制作成三维模型，然后将矿山在开采之初的相关数据进行对比，通过软件模拟叠加，形成全域三维模型，探究裂缝的产生是否与煤矿的开采有关，这种做法可以直观地将裂缝的范围、裂缝产生的原因等展现出来，进而做出相应的补救措施。

1.3 无人机测绘可以监测矿山环境

煤矿的开采会造成严重的自然环境破坏，可以看出煤矿的开采会造成矿山水土流失，进而导致沙尘暴等空气污染、地下水被污染、矿坑坍塌等，对环境造成破坏。国家为了防止煤矿生产造成环境的进一步破坏，出台了“智慧矿山”“绿色矿山”等相关政策[8]。绿色矿山是未来煤矿发展的方向，而想要建成绿色矿山，低成本的矿山地质环境监测至关重要，传统利用人力或载人直升机的环境监测费时费力，无法做到高频率的监测，而无人机对煤矿自然环境的监测成本低效率高，减少人员布设观测点的时间成本，同时可以针对重点区域规划合理的航线，通过机上携带的高分辨率设备获取矿山的影像，通过影像分析进而对矿山的环境进行准确的评价，及时对煤矿开采过程中的地质地貌及景观的破坏程度、矿山内环境污染程度、矿区地面塌陷程度、山体滑坡、泥石流等进行监测，及时地发现环境破坏情况，并针对性的制定恢复自然环境以及矿山复垦方案，一方面使煤矿符合国家绿色矿山的要求，可以正常的进行开采作业，另一方面可以使煤矿实现可持续发展，保护当地自然环境。

2 多旋翼无人机在煤矿地质测绘中的运用流程

无人机的测绘一般会分为外业和内业两部分，其具体流程如图1所示。

图1 无人机测绘运用流程

2.1 外业作业流程

（1）外业作业注意事项。在使用多旋翼无人机对煤矿进行地质测绘的过程中，主要的流程是外业，而外业工作流程需要注意两大问题，分别是：无人机飞行安全和数据采集的正确性问题。

无人机的飞行安全是外业作业中最重要的事项，无人机的飞行安全需要注意：①作业人员的安全。由于多旋翼无人机的机体结构较小，所以无法搭载较大容量的电池，飞行时间一般在30～60 min之内，煤矿矿区面积较大，所以在作业过程中需要深入到煤矿的各个地区进行无人机设备的放飞和回收，在此过程中一定要保证人员的安全[9]。②无人机的安全。无人机在放飞的时候，尽量选择空旷没有遮挡物的地方。③地面站架设位置。应该在有利地势架设地面站，尽量保障数据的传输顺畅。

飞行测绘一定要保证数据的正确性。为了确保数据的正确，需要提前对煤矿整体的外观有一个清晰的判断，并选择合适的飞行路线，确保飞行数据能够准确方便地获得[10]。

（2）测绘技术设计。在使用多旋翼无人机测绘之前需要对测绘技术进行设计，首先要明确作业任务，了解测区的大致范围、成图比例、飞行持续时间等情况，并且要制定相应的飞行计划及后备计划。

（3）确定测区。确定测区的目的是，确定本次任务所需要采集的区域范围，所需要的成图分辨率，所需要的产品类别。也就是说本次任务范围究竟有多大，要采集的数据最终是需要做模型还是做正射影像，采集的分辨率是多少，比例尺是多少，这些问题必须首先确定。只有对测区进行确定之后，才能够更好地进行后续的测绘任务。

（4）航线规划。测区范围确定之后。就可以根据所需要的成果类型，成果分辨率进行航线规划。航线类型一般有四种。第一种是蛇形航线，第二种是套耕航线，第三种是环形航线，第四种是条带航线。一般在使用多旋翼无人机测绘过程中，比较常用的是蛇形航线，蛇形航线不需要对一段路进行重复测绘效率较高。在对露天煤矿进行测绘的时候较常使用环形航线，为了更好地对煤矿进行精细的三维模型制作，需要尽可能地获取物体的详细纹理，所以必须要进行环形旋转拍摄。

（5）像控点布设。像控点布设是测绘数据处理的基准点，对于测绘数据的准确起到了至关重要的作用，像控点的布设包含两方面的工作，设置像控点和测量像控点坐标。像控点布设应该在测区内均匀地分布，不能单独地设置在某个区域或者测区的某个角落，同时布设点应该在开阔地带，不应在树林下或者容易被遮挡的地方。

（6）飞行作业。在完成上述步骤之后可以进行飞行作业，如果前期工作进行地比较完备，飞行作业将会简单便捷。虽然多旋翼无人机具有较好的稳定性，但是在飞行作业的时候也尽量选择风力较小的良好天气下进行。首先要对多旋翼无人机进行组装，并将测绘所需仪器进行安装，安装完毕之后进行测绘系统地面测试。其次将测绘飞行的各项参数输入到飞行控制系统中去。随后将旋翼无人机放飞，并实时监测无人机的飞行状态及测绘状态。最后飞行结束之后检查无人机测绘数据是否完备详实，并对此次外业所获取的全部数据进行质量检查。

2.2 内业作业流程

（1）数据准备。在进行业内作业之前需要将旋翼无人机拍摄的测绘POS数据进行清理，还需要整理像控点的坐标表，以便后续的数据处理，准备数据的时间长短是以使用的多旋翼无人机平台的不同而不同，如果使用的是大疆无人机平台，那么数据会被保存到照片的EXIF信息中，使用后处理软件可以自动读取，节省了大量的时间。

（2）空中三角形计算。空中三角形计算一般被称作是空三计算，计算的本质是空中控制测量，也就是根据重叠度、POS、地面相控点恢复、反算、平差，最终得到航片在空中的位置和姿态[11]。空中三角形计算是最重要的后处理步骤，因为航片的数学关系直接影响最终结果，空中三角形计算便利后续的测绘建模也会变得方便。

（3）构建测绘模型。在空三计算之后，使用专业的测绘数据处理软件对数据处理生成三维测绘模型，以测区几何中心为坐标原点，设立ENU笛卡尔坐标系，将模型按照该坐标系进行输出，对数据生产过程中的重要环节进行检查控制，直到符合项目质量要求为止。

3 结语

随着煤矿开采程度的加深，开采活动产生的环境问题越发严重。为了更好地应对这些问题，必须要加强对煤矿的地质环境调查，传统的地质环境调查主要依托于人力点测量和载人直升机测量，调查效率较低，而无人机测绘轻便小巧、机动灵活，自动化程度较高，是未来煤矿地质测绘的主要发展方向。使用多旋翼无人机对煤矿进行地质环境调查，可以获得及时全面的煤矿整体信息数据，帮助煤矿开发方制定准确的开采方案。同时，由于无人机测绘耗时短效率高，所以可以对煤矿的地质状况进行全方位的监测，及时发现潜在的地质灾害，帮助企业制定补救措施，保障煤矿开采和矿区群众的生命财产安全，并且使用无人机测绘还有助于减少煤矿开采对自然环境的破坏，为我国全面建设绿色矿山贡献一份力量。