淺談無人機航測技術在露天礦山測量中的應用

余 梨

（四川省安全科學技術研究院，四川，成都 610000）

1 引言

無人機航測與傳統測量相比，傳統測量基本只能獲取一些特征點，不能體現細致地形地貌，且在測區較大的情況下，傳統測量投入的人力較大且成果輸出時間較長。無人機航測投入人力極少，可以測攝到一些人員無法達到的區域、航飛時間短，可生成高辨率點云文件，生成的彩色點云數據可與CAD軟件無縫銜接，生成的.Las點云數據文件可與緯地軟件無縫連接，能夠更有效，更直觀，更快捷的為露天礦山測量服務。

2 無人機航測技術

傳統航空攝影測量由于飛行成本高，飛行條件苛刻，一直無法有效的在露天礦山測量中進行應用。無人機航測是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。

近年來隨著科技的發展，無人機電池容量不斷加大，電池重量不斷減小，數碼相機不斷小型化高清化，無人機的民用市場越來越普及。特別是在垂直固定翼無人機技術不斷成熟的趨勢下，使得以往飛行條件比較惡劣的露天礦山航測已經變得輕而易舉，實時差分技術與后差分技術也使得無人機航測精度越來越高。而且在無人機航測設備價格不斷減小的背景下，無人機航測技術在露天礦山測量中的應用已顯示出其獨特的優勢。

3 無人機航測流程

3.1 無人機航測數據采集一般流程

無人機航測數據采集一般流程為：空域申請、航線設計、實地考察、野外控制測量及像控測量、無人機組裝測試、飛行實施、飛行記錄、數據檢查、回收歸置無人機。

像控點是控制航空測量成果平面和高程精度的關鍵性參數，其本質上是滿足項目坐標系需求的精準RTK測量點，通常以人工布設和尋找特征點兩種方式來明確像控點位置。首先根據飛行測量區域及航線信息，預先在電腦按航帶均勻規劃像控點可布設位置，預設點位應盡量選取車輛道路可到達位置，點位應盡量分布均勻，對邊緣地帶能起到控制作用。其次，測區關鍵部位，均應多布設像控點，以保證重要部位測控數據精度，避免過多的平高誤差；若因地形限制或時間限制，預設布設像控點布設不完善，均應在航測過后，根據航飛影像數據，尋找合適地面特征點進行像控點補充測量。

3.2 無人機航測數據處理一般流程

3.2.1 數據預處理

1）原始數據下載包括：影像數據、像控點數據、POS數據；

2）設置測區參數；

3）導入原始數據:影像數據、像控點數據、POS數據；

4）航帶處理。

3.2.2 空中三角測量

1）影像匹配；

2）無約束平差；

3）像控點刺點；

4）約束平差;

5）空三加密解算。

3.2.3 成果輸出

可輸出成果有正射影像圖、三維點云、三維地面模型、數字線劃圖等等。

4 在露天礦山的應用

4.1 露天礦山周邊地質災害調查

礦山建設與生產將對地質環境進行強烈的改造和破壞，可能將誘發或引發地質災害；這兩方面將給礦山的建設和運營等帶來較大危險。傳統礦山地質災害調查主要作業方法是人工實地調查和航片與衛片的解譯，前者普遍存在周期長、成本高、效率低、難覆蓋全部區域；后者采購周期長、時相差、分辨率低，且受氣象條件影響大，難以滿足時間周期緊張、時效性強的項目。

采用無人機航測技術可生成正射影像圖，利用正射影像圖能生動直觀、及時準確的對礦山周邊進行地質災害調查，及時發現新的安全隱患，對已發現地質災害體可利用無人機進行傾斜攝影技術并可利用三維地表模型進行三維可視化的逃生路線設計。

4.2 露天礦山方量變化及計算

利用多期無人機航測數據生成點云數據可根據不規則三角網法計算開采方量。原理如下：在建立好的不規則三角網中，其每一個基本單元的核心是組成不規則三角形的三個頂點的三維坐標，在開采前地表面的三角網中，同時從每個三角形的三個頂點豎直向下引出三條直線，直到與開采后的地表面的三角網相交，便形成許多的三棱柱，這時整個區域的土石方地形便形成了由許多連續但不可微分的三棱柱組成的集合。分別計算出每個三棱柱的體積，所有的三棱柱體積之和便是整個區域的土石方量。

相交于傳統測量方法進行方量計算，點間距為厘米的更能反應礦山方量變化，更能精準計算開采方量，掌握礦山儲量變化。效率更高，解決了傳統測量中很多點位人員無法到達以及施測時間過長的問題。

4.3 露天礦山地形圖繪制

傳統礦山地形圖測量采用的全野外數字測圖方法，具有投入人員多、效率低等基本缺點，另外該方法受地形條件限制較大，在山地和高山地測量范圍難度較大，多數地區人員無法到達，范圍覆蓋后達到的精度水平也較低，而忽略的地形將為后續的規劃、建設等帶來安全隱患或工作量統計缺失。

無人機航測技術的測量結果精度完全滿足1:2000地形圖航測攝影測量內業規范。無人機輕便靈活的特點可在項目接收后進行快速部署；測量范圍可在航線設計中快速調整，有效覆蓋礦山周范圍；內業處理可根據不同需求進行不同范圍的處理，并提供正射影像圖、數字高程圖、數字格柵圖等多類型測繪產品；成圖處理中可參照國家基本比例尺地圖圖式進行修飾，完成高質量的數字線劃圖。因此，無人機航測技術可以快速高效、保證質量地完成露天礦山地形測量工作，并提供高時效性的露天礦山“4D”測繪產品。

4.4 坡面角快速獲取技術

坡面角，即坡面角度，露天礦山采場、排土場各級臺階坡面角及尾礦庫各級子壩坡面角在其前期設計過程中都有比較嚴格的要求，通常情況下不能超過設計角度，否則就帶來垮塌、潰壩等重大隱患。利用無人機航測技術生成點云數據可在電腦中直接量取坡面角，掌握露天礦山安全狀態。

4.5 匯水面積計算

礦山匯水面積是礦山行洪能力的一項重要指標參數，可通過無人機航測技術快速得到礦山匯水面積，通過相應計算得到礦山行洪能力。為露天礦山防汛作出重要作用。

4.6 違章建筑清查

在露天礦山建設及運營中，有時會遇到當地居民在已經進行征地賠償情況，仍舊進行新建房屋，農業建設等情況，或導致露天礦山建設及運營受影響，定期進行無人機航測生成相應地區高分辨率正射影像圖，及時發現問題，并作相應處理。

4.7 BIM技術應用

利用無人機航測技術生成的點云數據，可將礦山不同時期的點云數據建檔，留待將來使用。而且利用礦山點云數據，可進行3D設計，將使用礦山設計，復墾設計更加合理全面。

5 應用前景及展望

隨著無人機航測技術的不斷成熟與發展，未來無人機航測技術必將在露天礦山產生更多應用，而隨著無人機的價格不斷下降，不少礦山也已經自行購買無人機，進行相應的日常礦山測量工作，這一劃時代的技術，將在礦山的精細化管理上發揮越來越重要的作用。