旋翼無人機(jī)航測技術(shù)在露天礦山開采中的應(yīng)用

（云南先鋒煤業(yè)開發(fā)有限公司，云南 昆明 655211）

在露天礦山開采過程中，為了采剝生產(chǎn)正常接續(xù)，保障邊坡安全，要定期對生產(chǎn)作業(yè)區(qū)和邊坡進(jìn)行測量，為采剝量計算、邊坡穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。如今礦山測量采用最多的是GPS RTK測量技術(shù)，這種傳統(tǒng)技術(shù)具有集成、自動化程度高的特點，在一定程度上提高了礦山測繪效率，但是由于傳統(tǒng)測繪均是采用單點接觸式測量，對于露天礦中的陡坡、深溝及滑方區(qū)域，測繪人員難以到達(dá)且存在的安全風(fēng)險[1]。近年來，隨著無人機(jī)航測技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)測繪技術(shù)已開始被部分露天礦山企業(yè)應(yīng)用于露天礦山開采中，意在提高測繪效率和安全系數(shù)。

1 民用無人機(jī)的分類及特點

目前民用航拍無人機(jī)按照機(jī)翼種類的不同，主要分為固定翼機(jī)與旋翼機(jī)兩大類。

固定翼無人機(jī)特點：①載重量相對較小，對拍攝器的重量要求較高，目前只能搭載如GOPRO、卡片機(jī)之類體積小、質(zhì)量輕的拍攝器材；②飛行時機(jī)身晃動幅度較大，抗風(fēng)能力比旋翼機(jī)差；③只能掠過式拍攝，不能懸停，不能實現(xiàn)傾斜攝影[2]；④速度快，航程長，效率高于旋翼機(jī)。

旋翼無人機(jī)特點：①垂直起降，可懸停，飛行靈活，易于控制，拍攝角度多變，并能夠?qū)崿F(xiàn)精確懸停，定位拍攝，可夠?qū)崿F(xiàn)傾斜攝影，可更好更直觀地建立拍攝區(qū)域的三維模型；②旋翼無人機(jī)對復(fù)雜的地理環(huán)境、天氣有很強(qiáng)的適應(yīng)性，抗風(fēng)能力強(qiáng)于固定翼無人機(jī)；③功能豐富，作為良好的搭載平臺，更多地應(yīng)用于工程測繪、救災(zāi)、農(nóng)業(yè)播種等領(lǐng)域[2]；④飛機(jī)耗電強(qiáng)度大，飛行速度慢，單次航程和工作效率低于固定翼無人機(jī)。

2 旋翼無人機(jī)在露天礦開采中的應(yīng)用

旋翼無人機(jī)因其飛行靈活、抗風(fēng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展功能多、能實現(xiàn)傾斜攝影等特點，逐漸在中小型露天礦山中開始被應(yīng)用。云南先鋒露天礦是位于云南高原地區(qū)設(shè)計年產(chǎn)能390萬噸的中型露天礦，該礦結(jié)合山坡地形條件、常年多風(fēng)和礦區(qū)面積大小適中等實際情況，選用了P550六旋翼無人機(jī)搭配五鏡頭傾斜相機(jī)建立了礦山無人機(jī)測繪系統(tǒng)，可應(yīng)用于露天開采過程中的采剝量計算、邊坡監(jiān)測及穩(wěn)定性分析等工作。

表1 P550無人機(jī)設(shè)備參數(shù)

表2 五鏡頭傾斜相機(jī)參數(shù)

先鋒露天礦利用該套旋翼無人機(jī)及五鏡頭相機(jī)搭建的測繪機(jī)制和應(yīng)用流程為：通過與無人機(jī)匹配的飛行控制軟件，規(guī)劃無人機(jī)航線，五個鏡頭分別從前、后、左、右、垂直的傾斜角度拍攝測區(qū)影像。航拍時，同時記錄航速、航高、航向及旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，然后把采集的多視角影像數(shù)據(jù)拷貝到計算機(jī)，利用離散點云，采取三角網(wǎng)構(gòu)建算法中的分治算法構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangu1ated Irregu1ar Network，TIN)，生成航測區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM），也可通過專業(yè)的建模軟Smart 3d件構(gòu)建高分辨率的三維實景模型，然后通過建立的模型應(yīng)用于露天礦開采過程中的相關(guān)環(huán)節(jié)。

（1）應(yīng)用于露天開采過程中的采剝方量計算。將露天礦開采前后預(yù)處理得到的DEM模型應(yīng)用到礦業(yè)工程三維軟件3DMine中，先在3DMine中將DEM模型裝換為DTM表面模型，通過開采前后的DTM表面模型，建立封閉的DTM模型，最后將封閉的DTM模型分為若干個方格并建立封閉表面模型內(nèi)的塊體模型，對每個方格按照長方體進(jìn)行體積計算，最終通過將各個方格網(wǎng)累加得到工程量計算區(qū)域總工程量[3]，并分別得到采礦量和剝離量。先鋒露天礦選用的航測旋翼無人機(jī)，每架航次有效作業(yè)時間為30分鐘，可航拍0.8km2，兩個架次就能完成整個采坑的航拍，測量技術(shù)員的野外作業(yè)效率較傳統(tǒng)的RTK測量方法提高了近十倍。

（2）應(yīng)用于露天礦邊坡監(jiān)測及穩(wěn)定性分析。通過該套航測系統(tǒng)預(yù)處理得到的數(shù)字高程模型 (DEM) 是分析露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)工作，建立的DEM模型可轉(zhuǎn)換成GRD、DXF等多種格式的數(shù)據(jù)文件，結(jié)合PFC3D、F1ac3D等數(shù)值模擬軟件可實現(xiàn)露天礦邊坡的穩(wěn)定性計算和分析。

（3）在露天礦災(zāi)害可視化及邊坡災(zāi)害預(yù)警方面的應(yīng)用。預(yù)處理得到的數(shù)字高程模型（DEM）上可以顯示地形起伏，并可添加文字符號及地圖要素等多種數(shù)據(jù)，在保證DEM 數(shù)據(jù)、航測影像及地圖要素等的位置坐標(biāo)一致的前提下，能實現(xiàn)露天礦災(zāi)害的三維可視化建立。經(jīng)過鑲嵌糾正處理后的航拍影像能夠提供清晰完整的地物信息，并可快速成圖，滿足露天礦災(zāi)害的定量評估與地物解譯要求。

此外，對數(shù)字高程模型上的每個三角單元逐個進(jìn)行紋理映射，可制作更加逼真的露天礦邊坡三維數(shù)字模型，從模型上量取滑坡區(qū)域的寬度、長度、面積、坡度、高程、體積等信息，可完成露天礦滑坡災(zāi)害定量評估，為開展邊坡監(jiān)測預(yù)警工作，并有針對性地編制防治預(yù)案奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論及展望

旋翼無人機(jī)航測技術(shù)能極大地提高露天礦山開采過程中的野外測量效率、減少技術(shù)員勞動強(qiáng)度、提高測量作業(yè)安全系數(shù)，在先鋒露天礦的試驗運(yùn)用結(jié)果表明，通過航測數(shù)據(jù)輔以相應(yīng)的計算機(jī)軟件取得的采剝算量、邊坡監(jiān)測及穩(wěn)定性分析等成果能達(dá)到露天礦山安全生產(chǎn)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要求，現(xiàn)在存在的主要不足是，航拍數(shù)據(jù)處理對計算機(jī)軟硬件以及技術(shù)員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求比較高，利用航拍數(shù)據(jù)建立三維模型的效率相對較低，內(nèi)業(yè)作業(yè)時間比起傳統(tǒng)測繪技術(shù)長，總的說來，無人機(jī)航測技術(shù)在露天礦山開采中有較好地應(yīng)用前景。