基于無人機航測技術的多類型礦石堆場兩期儲量分析

張兵兵，許龍星，周 敏，張 璞，王 菲

(宏大爆破工程集團有限責任公司，廣東 廣州 510623)

0 引 言

無人機航測技術為非接觸式的測繪方式，其特點為覆蓋面積大，可實現測區內高程點的全覆蓋，數據的完整性較好，精度可滿足比例尺為1∶2 000～1∶500的地形圖要求[1-2]，相比于傳統的RTK、全站儀等有顯著優勢，目前已應用在露天礦山的諸多方面[3]。在露天礦山管理過程中，有效獲取露天礦山儲量及特定區域的工程量大小，是保證礦山采剝平衡及合理安排施工進度的基礎，同時也是工程量結算的依據。在工程量估算及核算等方面，許多專家學者進行了研究。許志華等[4]基于運動恢復結構(SFM)和多目立體視覺(PMVS)算法，提出了一種基于無人機影像序列的露天礦工程量計算方法，通過兩期點云匹配分析，認為相對誤差小于±1%，堆放體積變化監測精度接近92%；王果等[5]通過無人機成功獲取礦區傾斜影像，構建出不規則三角格網和紋理映射，重建了露天礦三維模型，實現了露天礦工程量的快速低成本計算；高利敏等[6]基于八旋翼無人機，通過低空傾斜攝影，利用Virtual Surveyor軟件進行兩期工程方量計算，為工程管理提供了準確的數據和有力的技術保障；張中雷等[7]將無人機應用在露天礦山的工程計量、采場布局等方面，構建了基于無人機航測技術的生產調度指揮體系，現場應用效果良好；張兵兵等[8]將無人機用在露天采場精細化管理中，提高了采場的安全監管與高效開采水平。

綜上所述，無人機航測在復雜地形測繪應用中優勢明顯，對工程量計算的準確度已得到了廣泛認可。但大多針對單一類型區域，在多類型相鄰的復雜礦石堆場方面研究較少，故本文的研究具有一定的實際意義。

1 工程概況及難點分析

大寶山露天礦為多金屬礦山，富含鐵、銅-硫、鉛-鋅等多種礦石，建成了330萬t/a的銅-硫選廠，因此需要保證銅-硫礦石的采場供應量滿足選廠消耗量且有部分富余。由于采場礦石品位不斷變化，因此高品位與低品位礦石的綜合利用對于選廠礦石供應十分重要，保證均衡化配礦指標，既不過多消耗高品位礦石，也防止礦石品位不達標。為此，在銅礦堆場附近設置了低品位礦石堆場及350萬t堆場，三者的綜合利用是確保選廠正常且高效運轉的關鍵。在相鄰區域內形成3個不同品位的礦石堆場，構成了多類型相鄰的復雜礦石堆場，而礦石堆場的前期堆置高度均較高，單純依靠人工測量，耗時較長，勞動強度大，且堆場邊坡存在許多難以測量到的點位，完整性較差，人工測量的準確性難以保證，因此需要一種更加有效的測量手段。

基于現有的測量技術手段，本文采用了低空無人機航測技術，為非接觸式測繪技術，具有耗時短、人工勞動強度低、操作簡單方便等優勢，可通過設置飛行航線與數據后期加工處理快速獲取礦石堆場的地形信息，數據的完整性得以保證。同時可通過兩期或多期航測地形對比分析，及時獲取一定時期內礦石儲量的變化情況，進而做好采場供配礦的規劃設計。

2 無人機航測作業的規劃與實施

本文所采用的大疆精靈4RTK小型四旋翼無人機，其搭載高清單鏡頭2 000萬像素相機，具備手動航拍與自主航線測量雙重功能，可實現正射航測、傾斜攝影方案的制定與實施，低空航測的精度為厘米級，滿足礦山航測的實際需求。

2.1 航線的規劃設計

采用人工現場勘查與無人機航拍監察相結合的方式，綜合確認相鄰礦石堆場的航測范圍，利用正射鏡頭模式下的無人機航拍測量周邊山體的最大海拔高度，將航測相對高度定為100 m，確保航測作業的安全可靠。在此基礎上，采用3向井字形航線規劃功能，制定小范圍的傾斜攝影測量路線，涵蓋3個礦石堆場、銅-硫選廠等建構筑物的地形地貌信息，航線規劃如圖1所示。同時，為了保證航測影像連接點的平差結構及相鄰影像間的緊密聯系程度，航向和旁向重疊率設置為80%，令高重疊度模式下的數據可靠性得以提升。

根據現場勘查的實際地形，結合像控點布置方式需滿足平面及高程控制的雙重要求，確定了相應的布置方式[9]，在礦石堆場上方及下方、左側與右側各布置了1個像控點，在建構筑物周邊布置了2個檢查點。

圖1 礦石堆場井字形航線規劃

選擇晴天且風速較小的天氣，將350萬t堆場的空曠場地作為起飛降落位置，實施相對航高為100 m的低空無人機航測。 2020年6月18日進行了第一次航測，耗時50 min左右，航測面積為0.1 km2左右，得到了804張高清自帶POS數據的影像照片。2020年8月3日進行了第二次航測，與第一次航測的路線、像控點布置等保持一致，得到了810張高清自帶POS數據的影像照片。

2.2 航測數據的內業處理

本文采用Context Capture軟件對航測數據進行內業處理，其具有操作步驟簡單、數據處理快、精度較高等特點，已廣泛應用于無人機航測數據成果生成與分析方面[10]。通過高清自帶POS數據影像的自動匹配、像控點的刺點、空三解算、模型重建等步驟，成功得到兩期礦石堆場對應的三維模型數據。

2.2.1 誤差分析

由于兩次航測的基本條件一致，本文將第一次航測的數據用于誤差分析，判斷是否滿足航測地形的實際需求。在三維模型中，像控點清晰可見(圖2)；在生成三維模型的質量報告中，可以及時獲取各種誤差信息，有助于做出綜合判斷。三維模型全局中值誤差僅為0.4 mm，分辨率較高，X方向、Y方向、Z方向的誤差值均較小；4個像控點射線距離均方根在0.2～0.5 mm之間，整體誤差較小。

圖2 像控點對比

同時，對比分析了特定點的誤差值，即4個像控點與2個檢查點(表1)。可以得到100 m相對航高下模型X方向和Y方向最大誤差分別為14.05 cm和8.40 cm，中誤差為2.59 cm，均滿足比例尺為1∶500的地圖成圖要求(平面位置精度≤0.150 m，中誤差≤0.175 m)。

2.2.2 兩期三維模型

采用Context Capture軟件在完成影像匹配與空三解算等步驟后，重建得到礦石堆場兩期三維模型，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，影像的連接性較好，匹配程度較高，基本無拉花與扭曲現象，真實還原了礦石堆場的實際地形地貌。

表1 航測精度誤差表

圖3 第一次航測三維模型

圖4 第二次航測三維模型

3 兩期礦石工程量對比

為了更好地分析三維模型數據信息，采用IData軟件，其具有兼容性強、快速準確、三維向二維轉化等優勢。通過圈定礦石堆場的邊界線，可直接生成所在區域的高程點信息，進而計算剩余儲量大小。結合兩期的礦石高程點信息變化，進而獲取一定時期內儲量變化情況，如圖5所示。

圖5 礦石堆場儲量計算

為了驗證低空無人機航測在工程量結算方面的誤差率，進行了相應的誤差分析。本文以露天采場配礦量和堆場供礦量的統計值作為真實值，即第一次至第二次航測期間的真實統計值，配礦量為574 386.4 t，供礦量為499 127.9 t，計算出礦石堆場在時間段內的差值V真實為22 805.6 m3(礦石比重為3.3 t/m3)，由于礦石挖裝后堆積為松散體，因此松散系數按1.3計算。

經過IData軟件生成的高程點信息，計算得到航測的相對變化值，其中第一期是相對于原始礦石堆場地形；第二期是相對于兩期航測期間的地形變化，計算的儲量值見表2。兩期航測期間的儲量變化值ΔV=28 817.2 m3，進而計算出相對誤差率Δ=1-(ΔV/1.3)/V真實=2.8%，表明無人機航測在計算礦石儲量方面的相對誤差較小，具有一定的可行性。

表2 礦量變化統計表

通過各個堆場的統計數據顯示，數據結果與實際情況吻合度較高。銅-硫礦石堆場的配礦量與供礦量差值為39 253.4 m3，這與采場采礦力度持續加大有關，富余量較大，有效地保證了選廠的高效運轉。而649低品位堆場在兩次航測期間基本無變化，與真實情況相符，采場的局部低品位排放至該堆場，暫時處于備用狀態，未進行施工作業。350萬t堆場挖方量為10 977.5 m3，這與2020年7月30日至2020年8月3日的堆場道路改道情況有關，計算的挖方量與實際道路挖方量相符。通過以上分析可知，低空無人機航測技術在計算多類型鄰近礦石堆場儲量具備一定的可行性，且計算精度較高。

4 結 論

1) 本文采用低空無人機航測技術，設置了相對航高為100 m的三向井字形航線規劃及像控點布置方式，進行了兩期航測，通過Context Capture軟件的解算，得到了兩期三維模型數據。

2) 通過分析航測得到的三維模型中像控點和檢查點的誤差情況得到X方向和Y方向最大誤差分別為14.05 cm和8.40 cm，中誤差為2.59 cm，精度較高，均滿足比例尺為1∶500的地形圖的要求，故滿足應用在礦石堆場儲量計算方面的精度要求。

3) 利用兩期三維模型數據及IData軟件的高程點輸出功能，得到了兩期航測期間的礦石堆場儲量變化情況，相對誤差率僅為2.8%，測量值與實際情況相符，并對各堆場進行了詳細的分析。由此表明，低空無人傾斜攝影測量技術在礦石堆場儲量計算方面具備一定可行性，可應用于露天采場配礦與供礦規劃設計方面，有利于實現供配礦工作的精細化管理。