無人機在露天金礦區(qū)地質(zhì)填圖中的應用

王甲乙，侯照亮，蔡全勝，王永祥，符佳楠，邱昆峰*

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院； 2.維也納大學地質(zhì)系； 3.隴南紫金礦業(yè)有限公司)

引 言

無人機是由動力裝置和導航模塊組成的無人駕駛航空器，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控或計算機預編程序?qū)崿F(xiàn)自主控制飛行[1]。無人機飛行具備成本低廉、機動性強、數(shù)據(jù)采集靈活、時效性強、可重復、分辨率高等優(yōu)勢，其可選擇性裝配多旋翼、固定翼機載平臺，配備光學、紅外、多光譜等傳感器對特定應用場景進行針對性工作[2]。

無人機的應用在礦床研究各領(lǐng)域處于持續(xù)探索階段。例如：李飛等[3]把CH-3無人機航磁測量系統(tǒng)應用在新疆克拉瑪依和喀什地區(qū)的地質(zhì)填圖和礦產(chǎn)勘查中，在地質(zhì)填圖、圈定儲油構(gòu)造等方面取得了良好的應用效果。田雷[4]采用無人機傾斜攝影技術(shù)在地侯堡鎮(zhèn)完成了遙感三維影像圖制作。李遷[5]在江西龍南稀土礦區(qū)成功應用了無人機遙感技術(shù)，說明其在礦山動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)恢復、揭露非法開采等方面具有應用潛力。JIANG等[6]在馬鞍山鐵礦利用無人機航磁系統(tǒng)收集了145 495個數(shù)據(jù)點并進行三維磁反演，成功地獲得了地下礦體的空間分布特征。MARTIN等[7]在美國亞利桑那州Wooley礦區(qū)利用商用低空多旋翼飛行設(shè)備，準確評估具有商業(yè)價值的地表與近地表礦體的空間分布，并基于此討論了相關(guān)礦體放射性成因特征。武講等[8]利用基于無人機飛行獲取的圖像數(shù)據(jù)，重建礦山三維模型，建立智能礦山平臺，精準地完成了無人車隊智能化調(diào)度等?，F(xiàn)階段研究表明，無人機在以航空遙感為基礎(chǔ)的交叉學科研究領(lǐng)域，具備多重研究與應用潛力。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，消費級無人機也逐漸滿足了國家大比例尺地形測圖的基本要求[9]。

構(gòu)造蝕變礦化填圖是目前礦床研究的熱點。然而，受露天礦山地形陡峭多變等復雜因素影響，傳統(tǒng)測量方法(全站儀測量等)存在測量強度大且工作效率低等問題[10]。應用無人機進行礦區(qū)測量，可以在區(qū)域尺度上獲得高效且精確的認識。SAYAB等[11]使用高分辨率無人機影像重建了芬蘭西南部Jokisivu金礦區(qū)的三維模型，并量化表征了裂縫和相關(guān)礦化石英脈的空間結(jié)構(gòu)，以此討論芬蘭西南部流體遷移和金礦化過程。夏然[12]使用無人機多光譜影像解譯了內(nèi)蒙古滿洲里烏努格吐山銅鉬礦區(qū)蝕變特征，結(jié)合礦區(qū)構(gòu)造和地層層序特征，成功對礦區(qū)的礦化與蝕變進行了綜合評估。

無人機在礦床野外研究中的重要性已經(jīng)顯著體現(xiàn)。輕量級、小型化的發(fā)展趨勢，將極大程度降低無人機的使用門檻，提高礦區(qū)地質(zhì)大尺度野外研究的效率和準確性。本文利用目前具有代表性的小型無人機大疆Mavic Air2s，詳細探索了利用小型無人機進行礦區(qū)地質(zhì)填圖的工作流程，并結(jié)合詳細的野外工作，討論了無人機在礦區(qū)地質(zhì)填圖中的應用效果及潛力。

1 目標礦區(qū)選取

1.1 李壩金礦區(qū)地質(zhì)概況

本文選取李壩金礦區(qū)[13]作為無人機地質(zhì)填圖的測試區(qū)域。大規(guī)模露天開采方式導致該礦區(qū)高差大且地形復雜，部分礦區(qū)難以進行傳統(tǒng)野外填圖工作，然而這種典型的露天開采方式為無人機提供了良好的飛行測試平臺。

秦嶺造山帶地處古亞洲洋、特提斯洋和環(huán)太平洋三大構(gòu)造體系中[14-15]，位于中國中部，是中央造山帶的重要組成部分[16]。傳統(tǒng)意義上，西秦嶺造山帶從徽成盆地或佛坪穹隆處與東秦嶺造山帶分離[17-18]。西秦嶺造山帶分布著陽山、寨上、大水、早子溝、李壩等數(shù)十個大型—超大型金礦床和眾多中小型金礦床(見圖1)，累計探明金儲量已超過1 200 t，是目前中國重要的金礦集區(qū)之一[19-23]。

1—侏羅系—新近系 2—三疊系 3—二疊系 4—泥盆系—二疊系 5—寒武系 6—元古宇7—混雜巖與蛇綠巖 8—白堊紀火山巖 9—三疊紀花崗巖 10—三疊紀火山巖 11—斷裂12—逆斷裂 13—縫合帶 14—背斜軸部 15—向斜軸部 16—金礦床 17—李壩金礦床圖1 西秦嶺造山帶地質(zhì)簡圖

李壩金礦床位于禮(縣)岷(縣)金礦帶東部，禮縣—柞水海西地槽褶皺帶西段，中川巖體北東2 km處，是位于秦嶺造山帶的造山型金礦床[24]。李壩金礦床現(xiàn)由隴南紫金礦業(yè)有限公司開采，保有金儲量161 t，日處理礦石量10 000 t，富礦平均金品位2 g/t，礦石回收率82.5 %，每月剝采礦石量超過200萬m3。

1.2 無人機飛行區(qū)域選取

衛(wèi)星圖為選取無人機飛行區(qū)域提供前期圖像支持。李壩金礦床位于禮縣—羅壩—鎖龍口斷裂(見圖2)的南西側(cè)，由以6號礦體、7號礦體及26號礦體為主體的3個礦區(qū)組成。目前，7號礦體未開采，6號礦體與26號礦體在面積大小和地形高差方面相似，野外工作方法大致相同，因此本文對6號礦體所在區(qū)域使用的工作方法進行闡述。

圖2 甘肅隴南李壩金礦床衛(wèi)星圖(黃色框為主要研究區(qū)域)

衛(wèi)星圖只能獲得礦區(qū)的宏觀影像，無法反映礦區(qū)構(gòu)造蝕變礦化特征。衛(wèi)星的拍攝周期決定了衛(wèi)星圖時效性較差，高精度圖像不易獲取，無法應用于研究開采境界即時變化的露天礦山。無人機技術(shù)作為一種新興技術(shù)，既能克服航空遙感受制于長航時、大機動、環(huán)境危險等因素的影響，也可提供多角度、高分辨率影像，還能避免地面遙感工作范圍小、視野窄、工作量大等問題[25]。無人機在礦區(qū)研究的應用恰好可以彌補從衛(wèi)星遙感尺度到人工野外工作尺度之間的缺陷。

1.3 無人機選擇

無人機有多種類型。按照起飛方式，可以分為多旋翼無人機和固定翼無人機。傳統(tǒng)航空攝影測量一般采用大型固定翼無人機進行數(shù)據(jù)采集，其飛行速度較快，單次作業(yè)的覆蓋范圍廣，常用于大場景的地形測量工作。但是，由于礦區(qū)的地形原因，有時不具備寬闊平坦的固定翼無人機起降場地，且由此獲得的圖像分辨率較低[26]。精確的礦區(qū)測繪工作一般會采用多鏡頭的多旋翼無人機進行傾斜攝影測量，但對于以填圖為目的的野外工作來說，高分辨率單鏡頭正射影像完全可以滿足工作要求。本次研究所使用的無人機是一款民用消費級無人機大疆Mavic Air2s，其質(zhì)量為595 g，體積小、易于收納，能夠極大降低研究人員的攜帶負擔，適合需要長途徒步的野外調(diào)查工作。該無人機搭載三軸穩(wěn)定云臺與相機完成拍攝，配備1英寸2 000萬像素的傳感器，完全可以滿足野外填圖工作的基本需求。

2 輕型無人機野外工作流程

2.1 無人機野外航拍數(shù)據(jù)采集

對于陌生的礦區(qū)野外工作，需要獲取高精度的礦區(qū)全貌圖，以便于對照礦區(qū)地質(zhì)圖進行構(gòu)造、礦脈等關(guān)鍵信息的宏觀識別。李壩金礦區(qū)6號礦體有25個臺階，臺階高度12 m，垂直高差300 m，面積約1.6 km2，這導致傳統(tǒng)工作方法很難獲取礦區(qū)全貌圖。使用無人機飛行到最高限制高度500 m，并到達礦區(qū)的幾何中心，將無人機前進方向調(diào)整為正北向，使用無人機的全景照片拍攝功能，通過云臺角度的規(guī)律變化進行球形拼接，合成圖像，其可以在條件有限、飛行距離有限的情況下，在最短時間、正確范圍內(nèi)獲得全貌影像。該全貌影像中由球形拼接形成的枕形畸變，可以通過后期矯正消除。

2.2 無人機在繪制6號礦體全貌平面圖中的應用

使用無人機全景拍攝獲取的李壩金礦區(qū)6號礦體全貌平面圖見圖3。由圖3可知，溝狀凹陷處分別為近東西向次級斷裂F3和F6。露天采場每個臺階的凸出部位為礦體所在位置，礦體呈近東西向分布。6號礦體分為南、北2個亞帶，賦存于近東西向次級斷裂中，在圖3左下角可見輝綠巖脈侵入礦體中，二者產(chǎn)狀大致相同。

2.3 無人機在繪制6號礦體全貌剖面圖中的應用

由于大部分地質(zhì)現(xiàn)象展現(xiàn)在垂直方向的剖面上，無人機正射影像往往很難提供該方面的信息。因此，在獲取礦區(qū)全貌的正射影像之后，根據(jù)實際研究需要對礦區(qū)進行剖面拍攝。本次野外工作在李壩金礦區(qū)對6號礦體拍攝了礦體剖面，結(jié)果見圖4。

圖4 李壩金礦區(qū)6號礦體剖面圖(藍色框為圖5剖面所在位置)

6號礦體中心發(fā)育絹云母化粉砂質(zhì)板巖。該地發(fā)育近東西向次級斷裂F3，礦體走向大致與該斷裂相同。由于金品位較高的絹云母化粉砂質(zhì)板巖先被開采，所以在同一中段較為凹陷的地方是礦體所在區(qū)域。在最外層可見經(jīng)風化作用后形成的黃色板巖。

布設(shè)一個50 m×50 m樣方，同時利用TDR進行同步點測和土樣采集。其中，長測線自東向西垂直跨越3條平行的長沙壟和一個小沙丘；而樣方選擇在較開闊的兩條沙壟之間的平坦低地，樣方內(nèi)每隔5 m布設(shè)一條GPR測線，考慮到實地植被分布狀況，部分區(qū)域適當加密測線或取消部分測線片段。

2.4 無人機在繪制6號礦體南亞帶剖面圖中的應用

在使用無人機獲取礦區(qū)整體剖面后，可以根據(jù)研究需要拍攝更小區(qū)域的剖面。6號礦體局部剖面圖見圖5。通過對局部剖面進一步研究，可以對構(gòu)造蝕變礦化進行更細致的填圖。

1—斷裂 2—礦體 3—板巖 4—輝綠巖脈5—硅化 6—黃鐵礦化 7—綠泥石化圖5 李壩金礦區(qū)6號礦體局部剖面圖

對無人機拍攝剖面(見圖5)從南向北進行編錄。

0～2 m：深灰色板巖，金平均品位<2.4 g/t。板理產(chǎn)狀195°∠45°，見黃鐵礦化、硅化、綠泥石化，蝕變強。

2～8 m：灰白色板巖，金平均品位2.4 g/t，板理產(chǎn)狀170°∠46°，輕微變形，見黃鐵礦化、硅化，蝕變強。

8～14 m：整體為墨綠色輝綠巖。其中，8～9 m無礦化，較破碎。輝綠巖脈節(jié)理面發(fā)育綠泥石化、黃鐵礦化、硅化，相比于兩側(cè)板巖礦體礦化較弱。輝綠巖脈中見板巖捕虜體，金品位6.0 g/t。9～14 m節(jié)理面見黃鐵礦化，硅化，有3組節(jié)理。輝綠巖脈產(chǎn)狀357°∠85°，北側(cè)斷裂性質(zhì)為正斷裂，判斷標志為斷裂下盤輝綠巖脈中發(fā)育的共軛剪節(jié)理。

14～17 m：深灰色板巖礦體，板理產(chǎn)狀204°∠39°，見浸染狀黃鐵礦化，礦化蝕變?nèi)酢?/p>

礦體與輝綠巖脈呈斷裂接觸，輝綠巖脈中可見板巖捕虜體，其金品位(6.0 g/t)極高。圍巖發(fā)育1條破碎帶，屬于F1斷裂的次級斷裂，礦體中未見石英脈，但與破碎帶接觸處可見粗大無礦化石英脈和黃鐵礦化石英細脈。

從南到北礦化蝕變分帶：南側(cè)板巖礦體發(fā)育強烈的黃鐵礦化、硅化、綠泥石化，見團塊狀黃鐵礦，輝綠巖脈總體蝕變很弱，靠近板巖捕虜體的礦化較強，節(jié)理面發(fā)育黃鐵礦化、綠泥石化和硅化;北側(cè)板巖礦體主要見浸染狀黃鐵礦，金品位較南側(cè)礦體較低，隨著向板巖圍巖過渡，蝕變逐漸減弱。

2.5 無人機在6號礦體南亞帶剖面建模中的應用

由于實際開采情況影響，此剖面并非完全平直，而是呈弧形，所以嚴格意義上來說，剖面兩側(cè)的實際距離是遠大于圖中距離的。因此，可以使用無人機進行多角度、全方位拍攝，以實現(xiàn)對礦體的三維精確還原。本次采用環(huán)繞飛行的方式，環(huán)繞此剖面拍攝76張照片，通過PIX4D進行礦體建模。用此類方法可以獲得亞米級的剖面三維模型。

通過觀察建成的三維模型(見圖6)，可以在不進行實地勘查的情況下獲得剖面不同角度(俯視圖、側(cè)視圖、主視圖等)的照片，并通過更精確的立體模型，解決平面圖無法看出的視厚度與真厚度關(guān)系的問題。

圖6 李壩金礦區(qū)6號礦體剖面三維模型

在露天礦中，監(jiān)測地形和體積隨時間的變化規(guī)律對于支持挖掘階段的規(guī)劃非常重要。ESPOSITO等[27]在2013年和2015年進行了2次基于無人機的光學測量，并通過運動結(jié)構(gòu)技術(shù)獲得了相關(guān)的3D密集點云和數(shù)字正射影像，用于評估意大利某露天礦的變化。XIANG等[28]于2014年和2016年在北京密云鐵礦區(qū)，使用無人機(UAV)采集了2組高分辨率圖像。通過采用運動攝影測量技術(shù)，利用圖像生成高分辨率數(shù)字高程模型對可探測面積、體積變化和開采噸位進行了定量估計。這說明3D建模不僅為科學家和技術(shù)人員提供了有效技術(shù)支持，使他們能夠以高分辨率進行研究監(jiān)測，也為減少采礦對環(huán)境的影響提供了有效工具。

2.6 無人機對傳統(tǒng)地質(zhì)工作流程的優(yōu)化

在傳統(tǒng)地質(zhì)學方法中，要想確定方解石石英多金屬硫化物脈的產(chǎn)狀，由于視角的限制，往往需要進行大量產(chǎn)狀測量。得益于無人機的俯拍視角，可以直觀地從俯視圖中看到李壩金礦區(qū)26號礦體1920臺階2組方解石石英多金屬硫化物脈產(chǎn)狀相近(見圖7)。根據(jù)實際使用羅盤測量可得出，M1產(chǎn)狀為255°∠57°，M2產(chǎn)狀為289°∠78°。使用無人機輔助野外的產(chǎn)狀測量工作可以極大簡化工作流程，減少重復勞動。

圖7 李壩金礦區(qū)26號礦體1920臺階方解石石英多金屬硫化物脈產(chǎn)狀俯拍圖

2.7 無人機在獲取26號礦體VR全景中的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)是對無人機野外應用的進一步補充。該技術(shù)是20世紀發(fā)展起來的一項全新實用技術(shù)。VR全景的特點是，可以通過VR眼鏡實現(xiàn)半個球面的觀察，通過頭部移動就能觀測無人機飛行位置各個角度的圖像，在沒有VR眼鏡的情況下也可以通過移動手機位置或者滑動圖片的方法實現(xiàn)全角度礦區(qū)觀察，對于后期確定野外工作位置及空間性質(zhì)有重要作用。隨著無人機技術(shù)及軟件配套設(shè)施逐漸成熟，獲取礦區(qū)VR圖像并不困難，只需要使用無人機全景拍攝功能中的球形拍攝，并在礦區(qū)中心拍攝34張圖片，在軟件中拼接即可。李壩金礦區(qū)26號礦體VR全景(部分)見圖8。

圖8 李壩金礦區(qū)26號礦體VR全景(部分)

3 討 論

通過對李壩金礦區(qū)使用無人機進行輔助研究，表明無人機作為一種新型遙感影像獲取工具，可以很好地彌補從衛(wèi)星尺度到人工野外工作尺度之間的缺陷。無人機不僅可以獲取整個礦區(qū)的宏觀影像，也可以對局部地質(zhì)現(xiàn)象進行拍攝，從而提供傳統(tǒng)地質(zhì)工作無法獲得的視角圖像。無人機的靈活性與機動性使其圖像的尺度是連續(xù)變化的，可以以由大到小、層層遞進的方式對一個礦區(qū)進行深入研究。同時，無人機可以提供衛(wèi)星遙感方法和傳統(tǒng)野外工作方法無法提供的整個礦區(qū)大比例尺剖面圖像。而無人機本身作為一種機器應用于危險區(qū)域，可以極大提高野外工作的安全性。

近年來，無人機高光譜遙感和自動機器學習也是蝕變礦化填圖的一個發(fā)展方向。張川等[29]以新疆白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)為研究對象，通過建立航空高光譜數(shù)據(jù)CASI/SASI礦物填圖處理流程，采用混合調(diào)制匹配濾波技術(shù)實現(xiàn)了多種蝕變礦物填圖。填圖結(jié)果的野外驗證表明，3種絹云母亞類的準確度高于85 %，其他各類礦物的準確度高于90 %。BERETTA等[30]使用無人機結(jié)合自動機器學習的方法完成了自動巖石分類。這說明高光譜遙感和自動機器學習也可以為區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和找礦勘查預測提供準確而可靠的信息。

目前，無人機使用方面也存在種種問題，比如續(xù)航時間短、飛行高度不足、禁飛區(qū)較多等，且航攝影像受天氣影響較大，不能在能見度較低或環(huán)境光線不均勻的情況下使用。但是，無人機技術(shù)也在飛速發(fā)展，未來，更輕量化的多波段遙感無人機、Lidar無人機等會越來越多地應用到礦床研究中。同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)與機器學習等先進方法，無人機也將成為5G時代智慧礦山中的重要一環(huán)。

4 結(jié) 語

基于無人機在甘肅隴南李壩金礦區(qū)野外工作的探索，本文總結(jié)了輕量級無人機在輔助礦床野外工作中較為有效的工作流程：使用全景拍攝快速獲取礦區(qū)的全貌，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖進行礦脈和斷裂的初步解譯，再對礦區(qū)出露的大剖面進行拍攝分析與俯視圖對照，最后有針對性地對所需要的剖面進行由宏觀到微觀拍攝，結(jié)合地面工作進行構(gòu)造蝕變礦化填圖。此外,無人機還可以以其獨特的視角在很多方面簡化傳統(tǒng)地質(zhì)工作步驟，完成對礦區(qū)VR影像制作，以方便后期對野外工作的回顧。

無人機相較于傳統(tǒng)野外填圖工作具有視角多樣、尺度多樣、安全性好等特點，相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像則具有精度更高、靈活性強、機動性高、時效性好等特點。使用無人機輔助野外工作可以極大提高礦床野外工作效率。

致謝：論文的完成得益于鄧軍院士的指導。