礦山工程測量中無人機航測技術(shù)運用研究

余大偉

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北大冶 435100）

0 引言

無人機技術(shù)的發(fā)展為各種地質(zhì)勘查、工程測量工作提供了極大的便利，在具體的應(yīng)用中，先設(shè)置好無人機的航測路線，然后矯正測量的數(shù)據(jù)，可以快速地對礦區(qū)工程進(jìn)行測量，提高測量的效率。同時，無人機還具有出現(xiàn)故障后自動返航的功能，在使用時可以減少損失，在礦區(qū)工程測量中的應(yīng)用較為廣泛。

1 無人機航測技術(shù)的特點

1.1 作業(yè)效率高

礦山的環(huán)境較為復(fù)雜，如果用傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行測量，則需要克服較多的困難，不僅對測量設(shè)備以及測量技術(shù)有較高的要求，而且測量的工作效率較低。在應(yīng)用無人機航測技術(shù)測量礦區(qū)時，無論是多么復(fù)雜的環(huán)境，都可以將礦區(qū)的環(huán)境記錄下來，既能保證測量結(jié)果的精確性，又可以較為靈活地對礦區(qū)進(jìn)行全面、具體、詳細(xì)的測量，獲取有效的土地數(shù)據(jù)信息，從而為工程建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。目前無人機技術(shù)得到了快速發(fā)展，續(xù)航短的問題也在逐步解決，應(yīng)用無人機可以進(jìn)行持續(xù)的測量，提升整體的測量效率。

1.2 運行成本低

在應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量的成本較低。從設(shè)備的成本角度看，與大型飛機相比，在開展同一個測量任務(wù)時，無人機的造價成本更低，消耗的能源更少，同時維護(hù)的成本更低，因此無人機航測技術(shù)的使用成本較低。從數(shù)據(jù)信息的獲取上看，無人機航測技術(shù)的測量時效性更強，能夠快速獲取相關(guān)的測量信息，省去傳統(tǒng)測量的流程和時間因此應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量時更經(jīng)濟。

1.3 起、落靈活

無人機的體型較小，只需要一小塊平整的空地就可以實現(xiàn)快速起飛與降落，它不像大型飛機需要特定的停、落場地，因此在起飛、降落以及對航線的調(diào)整上都比較方便。同時無人機在工作的時候是低空作業(yè)，環(huán)境以及氣候?qū)ζ涞挠绊戄^小，操作也較為靈活。而且隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，其續(xù)航能力在不斷提升，應(yīng)用無人機測量技術(shù)可以實現(xiàn)較長距離的測量，測量的范圍不斷擴大，在應(yīng)用的時候更加靈活、方便。

1.4 安全系數(shù)高

在以前的礦山工程測量時，由于技術(shù)的落后，以及設(shè)備使用的要求，在測量的時候需要大量人工操作，但是礦區(qū)的環(huán)境較為復(fù)雜，測量人員在使用設(shè)備對礦區(qū)進(jìn)行測量的時候，可能會存在較多的安全隱患，對人員與設(shè)備的安全構(gòu)成了較大的威脅[1]。應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量，不需要測量人員直接參與測量，只需要操作無人機對礦區(qū)進(jìn)行測量，而且無人機可以實現(xiàn)自動控制和自主返航，無論是人員還是無人機設(shè)備的安全性都有了保證，避免在測量過程中遭受到損失。

1.5 運輸便利

無人機是一種高度集成的設(shè)備，體型較小，只需要占用較小的空間，而且由于其使用的材料較輕，整體的重量并不是很重，在運輸?shù)臅r候比較方便，可以應(yīng)用各種交通工具進(jìn)行運輸，為測量工作提供了便利。在對礦區(qū)進(jìn)行測量時，測量人員可以應(yīng)用常規(guī)的運輸設(shè)備運輸無人機，既能節(jié)省運輸?shù)某杀?，也能夠方便人員開展工作，對礦山工程的測量工作有積極的影響。圖1為航測作業(yè)中的無人機。

圖1 航測作業(yè)中的無人機

2 無人機航測技術(shù)在礦山工程測量中的應(yīng)用

2.1 無人機航線的設(shè)計

在應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行工程測量之前，需要設(shè)計無人機的航測路線，應(yīng)將礦區(qū)實際測量區(qū)域的地圖作為航測路線設(shè)計的依據(jù)，確保航測路線設(shè)計的科學(xué)性，保證測量工作順利進(jìn)行。在具體的設(shè)計中，首先，應(yīng)根據(jù)測量區(qū)域?qū)嶋H的地形、地貌特征，將測量區(qū)域的坐標(biāo)設(shè)置好，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、天氣情況等，確定好無人機飛行路線及飛行方向。這樣不僅能夠保證無人機測量時的設(shè)備安全性與穩(wěn)定性，還能夠確保測量時不會出現(xiàn)遺漏，而是與旁向相互重疊。其次，要合理選擇測量的區(qū)域，保證測量的效率和測量的有效性。一般測量人員會選擇縱向交叉布置的方式確定測量的區(qū)域，這樣可以避免出現(xiàn)遺漏或重復(fù)測量，保證測量的科學(xué)性。再次，設(shè)置無人機的航測方向以及航測路線時，需要控制設(shè)置的參數(shù)，要根據(jù)具體測量要求提前做好設(shè)置，保證在各項參數(shù)設(shè)置之后無人機能夠自動對礦區(qū)進(jìn)行測量，確保測量的有效性。最后，測量人員要隨時關(guān)注無人機的電量使用情況，在測量過程中如果出現(xiàn)了故障，要及時更換電池或者采取有針對性的解決措施，保證航測工作的順利進(jìn)行[2]。

2.2 無人機航測的聯(lián)合平差

在應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行測量的時候，對傾斜攝影的數(shù)據(jù)處理并不恰當(dāng)，會導(dǎo)致傾斜攝影的數(shù)據(jù)在實際的應(yīng)用中可能會存在一定的偏差，對后續(xù)的工程活動造成一定的影響。在應(yīng)用無人機對礦區(qū)進(jìn)行測量時，應(yīng)對圖像的遮擋關(guān)系以及幾何變化有一定的認(rèn)識，如果礦產(chǎn)資源掩藏在建筑物下面或植被下，也能夠被偵測出來，并正確地測量出礦產(chǎn)的實際位置。在實際的測量中，結(jié)合POS系統(tǒng)的外方位元素，對圖像采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進(jìn)行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，保證同名點的匹配結(jié)果能夠達(dá)到理想的效果。利用測量元素和外方元素相結(jié)合的方式，使勘測的結(jié)果更加精確，從而準(zhǔn)確找出礦產(chǎn)資源的實際位置，保證測量工作的準(zhǔn)確性。

2.3 無人機航測的拍攝測量

在應(yīng)用無人機航測技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)的測量時，最重要的工作環(huán)節(jié)就是無人機的攝影，在這一環(huán)節(jié)，無人機在需要借助遙感技術(shù)以及GPS定位技術(shù)控制飛行方向以及拍攝的時間[3]。在具體的測量中，測量人員一般會讓無人機在像控點的位置進(jìn)行多次拍攝，這樣是為了調(diào)整相機的拍攝參數(shù)，使其能夠拍攝到足夠清晰的圖像，方便測量人員分析測量的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的工作提供便利。無人機航測需要利用航空攝影技術(shù)，因此需要在拍攝之前利用拍攝到的圖像確定地面坐標(biāo)，同時還要有能被準(zhǔn)確識別的地面控制點。GPS測量系統(tǒng)可以直接在進(jìn)行圖像測量時得到外方位元素，無須設(shè)置地面控制點。但是，在實際的作業(yè)中，為保證拍攝圖像的精度，仍然需要在地面設(shè)置幾個控制點，根據(jù)地面的控制點，利用外業(yè)儀器測量控制點的坐標(biāo)以及高程，從而測繪圖像。

2.4 旋翼無人機三維測量技術(shù)的應(yīng)用

在應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量時還可以采用三維測量技術(shù)，這項技術(shù)比垂直測量和傾斜測量具有更大的優(yōu)勢，應(yīng)用旋翼無人機搭載多個鏡頭對礦區(qū)進(jìn)行測量，可以實現(xiàn)重疊影像拍攝，最大的重疊度可以達(dá)到70%，提升無人機建模的準(zhǔn)確性[4]。在測量的過程中，可以將系統(tǒng)分辨率的參數(shù)設(shè)置為5 cm，這樣無人機在測量時就可以選擇自動模式，并計算鏡頭的位置，確定所有的位置關(guān)系都較為合理，從而對礦區(qū)進(jìn)行三維測量，建立礦區(qū)的三維模型，在建模的時候應(yīng)使用云片進(jìn)行加載建模，最后就可以利用三維建模分析數(shù)字影像。在應(yīng)用旋翼無人機對礦區(qū)進(jìn)行三維測量的時候，應(yīng)確定測量區(qū)域的面積、高度等數(shù)值，同時要集成二維數(shù)據(jù)，對各項數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，從而反映出三維數(shù)據(jù)。要想測量礦區(qū)的邊坡、邊界，就需要站在立體的視角中對礦區(qū)的頂部以及底部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而構(gòu)建礦區(qū)的立體模型。要想展現(xiàn)礦區(qū)工程建設(shè)的全貌以及規(guī)劃的情況，就需要從不同角度對待測的區(qū)域進(jìn)行拍攝，反映待測區(qū)域所有方向上的特征，為后續(xù)的工程建設(shè)提供全面的數(shù)據(jù)支持。圖2為應(yīng)用無人機三維測量技術(shù)對某礦區(qū)進(jìn)行測量時生成的三維模型，這個模型為后續(xù)的工程開展提供參考。

圖2 無人機三維測量生成的三維模型

2.5 分析與評定無人機航測加密結(jié)果精度和采集精度

在應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量時，需要分析與評定采集到的各項數(shù)據(jù)的精度，這樣才能夠保證各項數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確保礦區(qū)工程建設(shè)的科學(xué)性。在具體的評定過程中，測量人員可以應(yīng)用空中三角測量技術(shù)，這種技術(shù)可以提升無人機航測的精度，減少誤差，對無人機航測技術(shù)的發(fā)展具有積極的影響。在應(yīng)用數(shù)碼相機對一些面積較小的控制點進(jìn)行拍攝時，能夠獲取的數(shù)據(jù)信息有限，需要利用外方位元素和加密點的坐標(biāo)，否則無法計算各項數(shù)據(jù)信息[5]。如果提取到的信息較少，計算結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，就需要運用空中三角的測量技術(shù)，利用專門的計算軟件計算獲取的數(shù)據(jù)，確保各項數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。在計算結(jié)果出來以后，測量人員還要對比分析結(jié)果，從而確定連接點的最大誤差與最小誤差。

2.6 無人機航測對礦區(qū)環(huán)境的監(jiān)測

目前我國對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)愈發(fā)重視，在開展礦區(qū)工程建設(shè)的時候，也更加關(guān)注礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展以及對礦區(qū)環(huán)境的保護(hù)，因此，在對礦區(qū)進(jìn)行工程測量時還需要對礦區(qū)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，保證在工程建設(shè)的過程中減少或杜絕對礦區(qū)環(huán)境的破壞。在以前，人們通常以人工的方式對礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，這種方式不僅需要大量勞動力，同時監(jiān)測效率較低，對礦區(qū)的保護(hù)不力。應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測時，可以利用遙感成像技術(shù)，對礦區(qū)的環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評估，監(jiān)控突發(fā)事件，調(diào)查環(huán)境污染。例如，在某礦區(qū)地表塌陷的監(jiān)測中，利用高分率的遙感影像技術(shù)對礦區(qū)地表塌陷變形進(jìn)行監(jiān)測，可以進(jìn)行地表裂隙的解譯、塌陷移動規(guī)律的分析以及塌陷量的計算。在測量結(jié)果中，可以顯示出地表裂隙的深度，同時計算機可以根據(jù)光譜、延長線以及緊密閾值規(guī)律快速識別煤礦塌陷區(qū)裂縫。此外，無人機還可以搭載多光譜的傳感器監(jiān)測礦區(qū)的植被，對礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及工程建設(shè)的情況進(jìn)行風(fēng)險評估，從而確保礦區(qū)被合理地開發(fā)。

3 結(jié)語

總之，在應(yīng)用無人機航測技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行測量時，會應(yīng)用到多種現(xiàn)代的技術(shù)，如遙感影像技術(shù)、GPS定位技術(shù)、三維建模技術(shù)以及三角測量技術(shù)等，這些技術(shù)的發(fā)展為無人機測量技術(shù)的水平提升有積極的作用。因此，我國應(yīng)重視相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不斷推動無人機航測技術(shù)的發(fā)展，保證礦區(qū)工程測量的精度與準(zhǔn)確性。