无人机在露天金矿区地质填图中的应用

王甲乙，侯照亮，蔡全胜，王永祥，符佳楠，邱昆峰*

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院； 2.维也纳大学地质系； 3.陇南紫金矿业有限公司)

引 言

无人机是由动力装置和导航模块组成的无人驾驶航空器，在一定范围内靠无线电遥控或计算机预编程序实现自主控制飞行[1]。无人机飞行具备成本低廉、机动性强、数据采集灵活、时效性强、可重复、分辨率高等优势，其可选择性装配多旋翼、固定翼机载平台，配备光学、红外、多光谱等传感器对特定应用场景进行针对性工作[2]。

无人机的应用在矿床研究各领域处于持续探索阶段。例如：李飞等[3]把CH-3无人机航磁测量系统应用在新疆克拉玛依和喀什地区的地质填图和矿产勘查中，在地质填图、圈定储油构造等方面取得了良好的应用效果。田雷[4]采用无人机倾斜摄影技术在地侯堡镇完成了遥感三维影像图制作。李迁[5]在江西龙南稀土矿区成功应用了无人机遥感技术，说明其在矿山动态监测、生态恢复、揭露非法开采等方面具有应用潜力。JIANG等[6]在马鞍山铁矿利用无人机航磁系统收集了145 495个数据点并进行三维磁反演，成功地获得了地下矿体的空间分布特征。MARTIN等[7]在美国亚利桑那州Wooley矿区利用商用低空多旋翼飞行设备，准确评估具有商业价值的地表与近地表矿体的空间分布，并基于此讨论了相关矿体放射性成因特征。武讲等[8]利用基于无人机飞行获取的图像数据，重建矿山三维模型，建立智能矿山平台，精准地完成了无人车队智能化调度等。现阶段研究表明，无人机在以航空遥感为基础的交叉学科研究领域，具备多重研究与应用潜力。随着无人机技术的不断发展，消费级无人机也逐渐满足了国家大比例尺地形测图的基本要求[9]。

构造蚀变矿化填图是目前矿床研究的热点。然而，受露天矿山地形陡峭多变等复杂因素影响，传统测量方法(全站仪测量等)存在测量强度大且工作效率低等问题[10]。应用无人机进行矿区测量，可以在区域尺度上获得高效且精确的认识。SAYAB等[11]使用高分辨率无人机影像重建了芬兰西南部Jokisivu金矿区的三维模型，并量化表征了裂缝和相关矿化石英脉的空间结构，以此讨论芬兰西南部流体迁移和金矿化过程。夏然[12]使用无人机多光谱影像解译了内蒙古满洲里乌努格吐山铜钼矿区蚀变特征，结合矿区构造和地层层序特征，成功对矿区的矿化与蚀变进行了综合评估。

无人机在矿床野外研究中的重要性已经显著体现。轻量级、小型化的发展趋势，将极大程度降低无人机的使用门槛，提高矿区地质大尺度野外研究的效率和准确性。本文利用目前具有代表性的小型无人机大疆Mavic Air2s，详细探索了利用小型无人机进行矿区地质填图的工作流程，并结合详细的野外工作，讨论了无人机在矿区地质填图中的应用效果及潜力。

1 目标矿区选取

1.1 李坝金矿区地质概况

本文选取李坝金矿区[13]作为无人机地质填图的测试区域。大规模露天开采方式导致该矿区高差大且地形复杂，部分矿区难以进行传统野外填图工作，然而这种典型的露天开采方式为无人机提供了良好的飞行测试平台。

秦岭造山带地处古亚洲洋、特提斯洋和环太平洋三大构造体系中[14-15]，位于中国中部，是中央造山带的重要组成部分[16]。传统意义上，西秦岭造山带从徽成盆地或佛坪穹隆处与东秦岭造山带分离[17-18]。西秦岭造山带分布着阳山、寨上、大水、早子沟、李坝等数十个大型—超大型金矿床和众多中小型金矿床(见图1)，累计探明金储量已超过1 200 t，是目前中国重要的金矿集区之一[19-23]。

1—侏罗系—新近系 2—三叠系 3—二叠系 4—泥盆系—二叠系 5—寒武系 6—元古宇7—混杂岩与蛇绿岩 8—白垩纪火山岩 9—三叠纪花岗岩 10—三叠纪火山岩 11—断裂12—逆断裂 13—缝合带 14—背斜轴部 15—向斜轴部 16—金矿床 17—李坝金矿床图1 西秦岭造山带地质简图

李坝金矿床位于礼(县)岷(县)金矿带东部，礼县—柞水海西地槽褶皱带西段，中川岩体北东2 km处，是位于秦岭造山带的造山型金矿床[24]。李坝金矿床现由陇南紫金矿业有限公司开采，保有金储量161 t，日处理矿石量10 000 t，富矿平均金品位2 g/t，矿石回收率82.5 %，每月剥采矿石量超过200万m3。

1.2 无人机飞行区域选取

卫星图为选取无人机飞行区域提供前期图像支持。李坝金矿床位于礼县—罗坝—锁龙口断裂(见图2)的南西侧，由以6号矿体、7号矿体及26号矿体为主体的3个矿区组成。目前，7号矿体未开采，6号矿体与26号矿体在面积大小和地形高差方面相似，野外工作方法大致相同，因此本文对6号矿体所在区域使用的工作方法进行阐述。

图2 甘肃陇南李坝金矿床卫星图(黄色框为主要研究区域)

卫星图只能获得矿区的宏观影像，无法反映矿区构造蚀变矿化特征。卫星的拍摄周期决定了卫星图时效性较差，高精度图像不易获取，无法应用于研究开采境界即时变化的露天矿山。无人机技术作为一种新兴技术，既能克服航空遥感受制于长航时、大机动、环境危险等因素的影响，也可提供多角度、高分辨率影像，还能避免地面遥感工作范围小、视野窄、工作量大等问题[25]。无人机在矿区研究的应用恰好可以弥补从卫星遥感尺度到人工野外工作尺度之间的缺陷。

1.3 无人机选择

无人机有多种类型。按照起飞方式，可以分为多旋翼无人机和固定翼无人机。传统航空摄影测量一般采用大型固定翼无人机进行数据采集，其飞行速度较快，单次作业的覆盖范围广，常用于大场景的地形测量工作。但是，由于矿区的地形原因，有时不具备宽阔平坦的固定翼无人机起降场地，且由此获得的图像分辨率较低[26]。精确的矿区测绘工作一般会采用多镜头的多旋翼无人机进行倾斜摄影测量，但对于以填图为目的的野外工作来说，高分辨率单镜头正射影像完全可以满足工作要求。本次研究所使用的无人机是一款民用消费级无人机大疆Mavic Air2s，其质量为595 g，体积小、易于收纳，能够极大降低研究人员的携带负担，适合需要长途徒步的野外调查工作。该无人机搭载三轴稳定云台与相机完成拍摄，配备1英寸2 000万像素的传感器，完全可以满足野外填图工作的基本需求。

2 轻型无人机野外工作流程

2.1 无人机野外航拍数据采集

对于陌生的矿区野外工作，需要获取高精度的矿区全貌图，以便于对照矿区地质图进行构造、矿脉等关键信息的宏观识别。李坝金矿区6号矿体有25个台阶，台阶高度12 m，垂直高差300 m，面积约1.6 km2，这导致传统工作方法很难获取矿区全貌图。使用无人机飞行到最高限制高度500 m，并到达矿区的几何中心，将无人机前进方向调整为正北向，使用无人机的全景照片拍摄功能，通过云台角度的规律变化进行球形拼接，合成图像，其可以在条件有限、飞行距离有限的情况下，在最短时间、正确范围内获得全貌影像。该全貌影像中由球形拼接形成的枕形畸变，可以通过后期矫正消除。

2.2 无人机在绘制6号矿体全貌平面图中的应用

使用无人机全景拍摄获取的李坝金矿区6号矿体全貌平面图见图3。由图3可知，沟状凹陷处分别为近东西向次级断裂F3和F6。露天采场每个台阶的凸出部位为矿体所在位置，矿体呈近东西向分布。6号矿体分为南、北2个亚带，赋存于近东西向次级断裂中，在图3左下角可见辉绿岩脉侵入矿体中，二者产状大致相同。

2.3 无人机在绘制6号矿体全貌剖面图中的应用

由于大部分地质现象展现在垂直方向的剖面上，无人机正射影像往往很难提供该方面的信息。因此，在获取矿区全貌的正射影像之后，根据实际研究需要对矿区进行剖面拍摄。本次野外工作在李坝金矿区对6号矿体拍摄了矿体剖面，结果见图4。

图4 李坝金矿区6号矿体剖面图(蓝色框为图5剖面所在位置)

6号矿体中心发育绢云母化粉砂质板岩。该地发育近东西向次级断裂F3，矿体走向大致与该断裂相同。由于金品位较高的绢云母化粉砂质板岩先被开采，所以在同一中段较为凹陷的地方是矿体所在区域。在最外层可见经风化作用后形成的黄色板岩。

布设一个50 m×50 m样方，同时利用TDR进行同步点测和土样采集。其中，长测线自东向西垂直跨越3条平行的长沙垄和一个小沙丘；而样方选择在较开阔的两条沙垄之间的平坦低地，样方内每隔5 m布设一条GPR测线，考虑到实地植被分布状况，部分区域适当加密测线或取消部分测线片段。

2.4 无人机在绘制6号矿体南亚带剖面图中的应用

在使用无人机获取矿区整体剖面后，可以根据研究需要拍摄更小区域的剖面。6号矿体局部剖面图见图5。通过对局部剖面进一步研究，可以对构造蚀变矿化进行更细致的填图。

1—断裂 2—矿体 3—板岩 4—辉绿岩脉5—硅化 6—黄铁矿化 7—绿泥石化图5 李坝金矿区6号矿体局部剖面图

对无人机拍摄剖面(见图5)从南向北进行编录。

0～2 m：深灰色板岩，金平均品位<2.4 g/t。板理产状195°∠45°，见黄铁矿化、硅化、绿泥石化，蚀变强。

2～8 m：灰白色板岩，金平均品位2.4 g/t，板理产状170°∠46°，轻微变形，见黄铁矿化、硅化，蚀变强。

8～14 m：整体为墨绿色辉绿岩。其中，8～9 m无矿化，较破碎。辉绿岩脉节理面发育绿泥石化、黄铁矿化、硅化，相比于两侧板岩矿体矿化较弱。辉绿岩脉中见板岩捕虏体，金品位6.0 g/t。9～14 m节理面见黄铁矿化，硅化，有3组节理。辉绿岩脉产状357°∠85°，北侧断裂性质为正断裂，判断标志为断裂下盘辉绿岩脉中发育的共轭剪节理。

14～17 m：深灰色板岩矿体，板理产状204°∠39°，见浸染状黄铁矿化，矿化蚀变弱。

矿体与辉绿岩脉呈断裂接触，辉绿岩脉中可见板岩捕虏体，其金品位(6.0 g/t)极高。围岩发育1条破碎带，属于F1断裂的次级断裂，矿体中未见石英脉，但与破碎带接触处可见粗大无矿化石英脉和黄铁矿化石英细脉。

从南到北矿化蚀变分带：南侧板岩矿体发育强烈的黄铁矿化、硅化、绿泥石化，见团块状黄铁矿，辉绿岩脉总体蚀变很弱，靠近板岩捕虏体的矿化较强，节理面发育黄铁矿化、绿泥石化和硅化;北侧板岩矿体主要见浸染状黄铁矿，金品位较南侧矿体较低，随着向板岩围岩过渡，蚀变逐渐减弱。

2.5 无人机在6号矿体南亚带剖面建模中的应用

由于实际开采情况影响，此剖面并非完全平直，而是呈弧形，所以严格意义上来说，剖面两侧的实际距离是远大于图中距离的。因此，可以使用无人机进行多角度、全方位拍摄，以实现对矿体的三维精确还原。本次采用环绕飞行的方式，环绕此剖面拍摄76张照片，通过PIX4D进行矿体建模。用此类方法可以获得亚米级的剖面三维模型。

通过观察建成的三维模型(见图6)，可以在不进行实地勘查的情况下获得剖面不同角度(俯视图、侧视图、主视图等)的照片，并通过更精确的立体模型，解决平面图无法看出的视厚度与真厚度关系的问题。

图6 李坝金矿区6号矿体剖面三维模型

在露天矿中，监测地形和体积随时间的变化规律对于支持挖掘阶段的规划非常重要。ESPOSITO等[27]在2013年和2015年进行了2次基于无人机的光学测量，并通过运动结构技术获得了相关的3D密集点云和数字正射影像，用于评估意大利某露天矿的变化。XIANG等[28]于2014年和2016年在北京密云铁矿区，使用无人机(UAV)采集了2组高分辨率图像。通过采用运动摄影测量技术，利用图像生成高分辨率数字高程模型对可探测面积、体积变化和开采吨位进行了定量估计。这说明3D建模不仅为科学家和技术人员提供了有效技术支持，使他们能够以高分辨率进行研究监测，也为减少采矿对环境的影响提供了有效工具。

2.6 无人机对传统地质工作流程的优化

在传统地质学方法中，要想确定方解石石英多金属硫化物脉的产状，由于视角的限制，往往需要进行大量产状测量。得益于无人机的俯拍视角，可以直观地从俯视图中看到李坝金矿区26号矿体1920台阶2组方解石石英多金属硫化物脉产状相近(见图7)。根据实际使用罗盘测量可得出，M1产状为255°∠57°，M2产状为289°∠78°。使用无人机辅助野外的产状测量工作可以极大简化工作流程，减少重复劳动。

图7 李坝金矿区26号矿体1920台阶方解石石英多金属硫化物脉产状俯拍图

2.7 无人机在获取26号矿体VR全景中的应用

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是对无人机野外应用的进一步补充。该技术是20世纪发展起来的一项全新实用技术。VR全景的特点是，可以通过VR眼镜实现半个球面的观察，通过头部移动就能观测无人机飞行位置各个角度的图像，在没有VR眼镜的情况下也可以通过移动手机位置或者滑动图片的方法实现全角度矿区观察，对于后期确定野外工作位置及空间性质有重要作用。随着无人机技术及软件配套设施逐渐成熟，获取矿区VR图像并不困难，只需要使用无人机全景拍摄功能中的球形拍摄，并在矿区中心拍摄34张图片，在软件中拼接即可。李坝金矿区26号矿体VR全景(部分)见图8。

图8 李坝金矿区26号矿体VR全景(部分)

3 讨 论

通过对李坝金矿区使用无人机进行辅助研究，表明无人机作为一种新型遥感影像获取工具，可以很好地弥补从卫星尺度到人工野外工作尺度之间的缺陷。无人机不仅可以获取整个矿区的宏观影像，也可以对局部地质现象进行拍摄，从而提供传统地质工作无法获得的视角图像。无人机的灵活性与机动性使其图像的尺度是连续变化的，可以以由大到小、层层递进的方式对一个矿区进行深入研究。同时，无人机可以提供卫星遥感方法和传统野外工作方法无法提供的整个矿区大比例尺剖面图像。而无人机本身作为一种机器应用于危险区域，可以极大提高野外工作的安全性。

近年来，无人机高光谱遥感和自动机器学习也是蚀变矿化填图的一个发展方向。张川等[29]以新疆白杨河铀铍矿区为研究对象，通过建立航空高光谱数据CASI/SASI矿物填图处理流程，采用混合调制匹配滤波技术实现了多种蚀变矿物填图。填图结果的野外验证表明，3种绢云母亚类的准确度高于85 %，其他各类矿物的准确度高于90 %。BERETTA等[30]使用无人机结合自动机器学习的方法完成了自动岩石分类。这说明高光谱遥感和自动机器学习也可以为区域地质调查和找矿勘查预测提供准确而可靠的信息。

目前，无人机使用方面也存在种种问题，比如续航时间短、飞行高度不足、禁飞区较多等，且航摄影像受天气影响较大，不能在能见度较低或环境光线不均匀的情况下使用。但是，无人机技术也在飞速发展，未来，更轻量化的多波段遥感无人机、Lidar无人机等会越来越多地应用到矿床研究中。同时，结合大数据与机器学习等先进方法，无人机也将成为5G时代智慧矿山中的重要一环。

4 结 语

基于无人机在甘肃陇南李坝金矿区野外工作的探索，本文总结了轻量级无人机在辅助矿床野外工作中较为有效的工作流程：使用全景拍摄快速获取矿区的全貌，结合区域地质图进行矿脉和断裂的初步解译，再对矿区出露的大剖面进行拍摄分析与俯视图对照，最后有针对性地对所需要的剖面进行由宏观到微观拍摄，结合地面工作进行构造蚀变矿化填图。此外,无人机还可以以其独特的视角在很多方面简化传统地质工作步骤，完成对矿区VR影像制作，以方便后期对野外工作的回顾。

无人机相较于传统野外填图工作具有视角多样、尺度多样、安全性好等特点，相对于传统卫星遥感影像则具有精度更高、灵活性强、机动性高、时效性好等特点。使用无人机辅助野外工作可以极大提高矿床野外工作效率。

致谢：论文的完成得益于邓军院士的指导。