無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中的應(yīng)用研究

燕利芳，尚秀全

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300)

礦山地質(zhì)測(cè)量工程在礦山企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中是一項(xiàng)較為重要的工作內(nèi)容，包括礦山內(nèi)高程基點(diǎn)的測(cè)量和內(nèi)部基點(diǎn)的測(cè)量[1]。對(duì)于礦山地質(zhì)測(cè)量工程而言，需要在礦山周圍建立監(jiān)測(cè)站，通過在地面尋找控制點(diǎn)，獲取礦山施工過程中的實(shí)際測(cè)量數(shù)量。為了使獲取的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，以高程系統(tǒng)和礦山地面坐標(biāo)為依據(jù)，完成礦山地質(zhì)測(cè)量工作[2]。同時(shí)，利用在井底構(gòu)建的高程系統(tǒng)，對(duì)礦山的各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)量，并向井下的各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行延伸，這樣才能保證礦山地質(zhì)測(cè)量工程中獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也是貫通測(cè)量的重要保障之一。根據(jù)礦山的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了礦山的測(cè)量體系建設(shè)，并運(yùn)用準(zhǔn)確的測(cè)算方法，保證了礦山地質(zhì)測(cè)量工作的順利開展[3]。在進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)量過程中，也要對(duì)礦山開采區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的勘探。

劉丹丹等[4]提出了一種基于改進(jìn)靜電感生原理的粉塵濃度的感應(yīng)電荷測(cè)量方法，并在此基礎(chǔ)上探討了在感應(yīng)電荷最大時(shí)測(cè)試設(shè)備的構(gòu)造情況，應(yīng)用Fluent6.3軟件對(duì)各種結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，通過反應(yīng)表面方法和Design-Expert方法的結(jié)合，計(jì)算出了喉道直徑和長(zhǎng)度，從而判斷出感應(yīng)電荷量產(chǎn)生明顯的作用。程波等[5]為了研究礦井下氣體成分測(cè)量技術(shù)，對(duì)歷史文獻(xiàn)和相關(guān)資料進(jìn)行了調(diào)研，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)礦井的氣體濃度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。通過對(duì)礦井瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的理論和實(shí)際工程實(shí)踐中的問題進(jìn)行了深入的探討，總結(jié)出礦井瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)正朝著智能化和多元化的方向發(fā)展。為了驗(yàn)證所得理論的有效性，通過現(xiàn)有的高精度原位測(cè)量技術(shù)加強(qiáng)理論研究的驗(yàn)證。

基于以上研究背景，本文將無人機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到了礦山測(cè)量工程中，從而保證礦山測(cè)量工程順利完工。

1 礦山地質(zhì)測(cè)量工程設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)繪參數(shù)和關(guān)系

在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中，利用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)[6-7]對(duì)礦山內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程中其結(jié)果的準(zhǔn)確性受無人機(jī)拍攝過程中的參數(shù)影響，處理難度也會(huì)增加。為了提高礦山地質(zhì)測(cè)量工程中測(cè)繪參數(shù)的精度，就要對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)量工程中的測(cè)繪參數(shù)和關(guān)系進(jìn)行分析[8]，并對(duì)影響因素進(jìn)行詳細(xì)了解。

常規(guī)的礦山地質(zhì)測(cè)量工程中，只有一個(gè)垂直的鏡頭進(jìn)入礦山，與測(cè)量區(qū)內(nèi)的物體關(guān)系較為簡(jiǎn)單，在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中測(cè)繪參數(shù)如下。

(1)礦山地質(zhì)測(cè)量分辨率與相機(jī)的焦距。該參數(shù)是評(píng)價(jià)礦山測(cè)量質(zhì)量的重要指標(biāo)，主要指2個(gè)相鄰測(cè)量物體間的距離，其單位一般用像元表示分辨率的大小，對(duì)于礦山地質(zhì)測(cè)量無人機(jī)航攝系統(tǒng)，假設(shè)數(shù)碼相機(jī)的位置固定，那么得到礦山地質(zhì)測(cè)量影像的分辨率由航高決定[9]，只有當(dāng)航高較低時(shí)，獲取的礦山地面分辨率較高。礦山地面分辨率與航高的關(guān)系見表1。在低空飛行拍攝過程中，雖然分辨率更高，畫面更清楚，但也會(huì)帶來一些不利的后果，比如在飛行時(shí)，受天氣、高度等因素的影響，礦山地質(zhì)測(cè)量中物體的影子被拉出很遠(yuǎn)的距離，這對(duì)后續(xù)的工作非常不利，而且，當(dāng)飛行高度過高時(shí)，很可能會(huì)造成安全隱患[10]。由表1可知，采用焦距50 mm透鏡，在較高的航高處即可獲得較高的分辨率，而圖像的寬度、高度也相應(yīng)地縮小，從而極大地降低了圖像采集的效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用的是24、35 mm的焦距。

表1 礦山地面分辨率與航高的關(guān)系Tab.1 Aerial height relationship corresponding to mine ground resolution

(2)航高。通常情況下，礦山地質(zhì)測(cè)量工程中航高的確定與礦山地質(zhì)測(cè)量工程的精度有關(guān)，地面分辨率越低，隨著航高的降低，圖像的數(shù)目就越多，受航高的下降影響，無人機(jī)的效率會(huì)下降[11]，給外業(yè)和內(nèi)業(yè)都增加了較大的工作難度。由于航高會(huì)受到礦山測(cè)量工程工作量、影響重疊度、施工安全等因素的影響，必須綜合考慮以上因素才能獲取合適的航高。

(3)像片重疊度。像片的重疊是礦山地質(zhì)測(cè)量工程中重要的保障工作，有時(shí)為了提高礦山地質(zhì)測(cè)量工作的效率，往往降低像片的重疊度，當(dāng)重疊度降低以后，礦山地質(zhì)測(cè)量過程中的航片數(shù)量和數(shù)據(jù)會(huì)減少，從而導(dǎo)致礦山地質(zhì)測(cè)量工程的結(jié)果出現(xiàn)偏差[12]。很多專家和學(xué)者對(duì)重疊影像的誤差進(jìn)行研究，得到受不同無人機(jī)的翼型結(jié)構(gòu)和飛行穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致礦山地質(zhì)測(cè)量像片的重疊度有所不同，這樣會(huì)大大增加影像內(nèi)業(yè)人員的處理工作，但是像片重疊度高會(huì)大大降低測(cè)量過程中的誤差。

(4)飛行速度、曝光時(shí)間。如果在礦山地質(zhì)測(cè)量過程中無人機(jī)的速度太快，會(huì)對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性造成一定的干擾，從而導(dǎo)致無人機(jī)的飛行品質(zhì)和測(cè)量精度都會(huì)下降[13]。大部分的無人機(jī)都是以低轉(zhuǎn)速的方式在天空中飛行，為了確保畫面的拍攝和安全性，目前的無人機(jī)都配備了定速巡航，以確保飛行器的平穩(wěn)，而畫面的重疊度則是由飛行器的速度和曝光的持續(xù)時(shí)間來確定的。

至此，完成了無人機(jī)測(cè)量技術(shù)測(cè)量礦山地質(zhì)測(cè)量過程中的地面分辨率與相機(jī)焦距、無人機(jī)航高、礦山地質(zhì)測(cè)量區(qū)域的像片重疊度和飛行速度、曝光時(shí)間等測(cè)繪參數(shù)之間的關(guān)系分析。

1.2 空中三角量測(cè)

在礦山地質(zhì)測(cè)量工程的空中三角量測(cè)過程中，采用DATMATrix技術(shù)[14]，通過采用少量的地面控制點(diǎn)，對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行位置加密，然后通過上文得到的測(cè)繪參數(shù)，進(jìn)行精確的計(jì)算。除了自動(dòng)測(cè)量點(diǎn)以外，內(nèi)定向和連接點(diǎn)的自動(dòng)抽取工作可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理[15]。利用DATmatrix實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)測(cè)量工程空中三角測(cè)量的基本流程如圖1所示。

圖1 礦山地質(zhì)測(cè)量工程的空中三角量測(cè)流程Fig.1 Flow chart of aerial triangulation of mine geological survey engineering

圖1中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段是根據(jù)礦山地質(zhì)測(cè)量工程中測(cè)繪參數(shù)的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)于礦山地質(zhì)測(cè)量工程而言，其拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。

圖2 礦山地質(zhì)測(cè)量工程測(cè)繪區(qū)域的拓?fù)潢P(guān)系Fig.2 Topological relationship of mine geological survey engineering surveying and mapping area

利用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦山地質(zhì)測(cè)量圖像的自動(dòng)或半自動(dòng)化采集，通過圖像點(diǎn)的自動(dòng)選擇和轉(zhuǎn)換，再利用平差法進(jìn)行校正運(yùn)算，最終得到礦山地質(zhì)測(cè)量工程測(cè)繪區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3 礦山地質(zhì)測(cè)量工程的測(cè)繪方案

利用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)[16]制定礦山地質(zhì)測(cè)量工程的測(cè)繪方案的具體步驟：①收集與整理資料。在接到礦山地質(zhì)測(cè)量任務(wù)后，首先要認(rèn)真分析測(cè)量任務(wù)的目標(biāo)，確定無人機(jī)遙感設(shè)備在飛行區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件，通過氣象條件展開無人機(jī)航空遙感工作內(nèi)容的設(shè)計(jì)，通過收集和整理歷史礦山測(cè)量工程的工作資料，為測(cè)繪方案提供合理的依據(jù)。②選擇無人機(jī)起飛場(chǎng)地。當(dāng)無人機(jī)到達(dá)礦山地質(zhì)測(cè)量工程的目標(biāo)區(qū)域后，根據(jù)無人機(jī)飛行的路徑方案，最大程度保證礦山地質(zhì)測(cè)量工程的順利開展。由于無人機(jī)飛行中存在很多不可抗因素[17]，因此會(huì)存在一定的安全隱患，有必要提前進(jìn)行試飛和降落試驗(yàn)，保證無人機(jī)在進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)量工程中的安全問題。③設(shè)計(jì)礦山地質(zhì)測(cè)量飛行方案。優(yōu)化的無人機(jī)飛行計(jì)劃，可以有效地降低無效礦山地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，根據(jù)對(duì)區(qū)域的位置、面積等信息的綜合分析，同時(shí)兼顧了飛行的效率，利用最短的路徑進(jìn)行圖像采集，以確保整個(gè)區(qū)域的覆蓋率。④檢查無人機(jī)遙感控制系統(tǒng)。無人機(jī)測(cè)量技術(shù)的成功應(yīng)用離不開先進(jìn)的裝備[18]，因此，在完成無人機(jī)遙感任務(wù)之前，要認(rèn)真地對(duì)所有的零件進(jìn)行檢查，確保所有的零件都能正常工作，這是無人機(jī)遙感任務(wù)安全高效執(zhí)行的重要因素。⑤飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量檢查。完成任務(wù)后，要對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)量工程中獲取到的遙感圖像進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，獲取到的資料可以完善礦山地質(zhì)測(cè)量工程的測(cè)繪方案，但在獲取無人機(jī)遙感資料時(shí)，會(huì)因空中的氣流不穩(wěn)、機(jī)體的質(zhì)量影響[19]，使得航向出現(xiàn)偏差以及機(jī)身的傾角，因此要對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行像片重合度和色彩飽和度檢查。⑥測(cè)繪方案的制定。在無人機(jī)采集的礦山地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，要對(duì)合格的礦山地質(zhì)測(cè)量資源進(jìn)行整理[20]，包括礦山地質(zhì)測(cè)量過程中的原始影響數(shù)據(jù)，整理好影像后，從而完成礦山地質(zhì)測(cè)量工程測(cè)繪方案的制定。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

本文的實(shí)驗(yàn)選擇某礦山地質(zhì)測(cè)量工程為研究對(duì)象，將礦區(qū)作為無人機(jī)的航攝區(qū)域，該礦山的整體占地面積為0.08 km2，呈現(xiàn)出低山丘陵景觀的地貌特征。該礦山區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出比較薄的土壤圖層，主要的巖石結(jié)構(gòu)為沙礫、碎石和裸巖，礦山周圍還有大面積水域，研究區(qū)域的遙感影像如圖3所示。

圖3 研究區(qū)遙感影像Fig.3 Remote sensing image of the study area

2.2 礦山地質(zhì)測(cè)量工程建模

在礦山地質(zhì)測(cè)量工程建模中，利用Smart3D Capture軟件簡(jiǎn)化建模的過程，具體建模原理如圖4所示。獲取礦山地質(zhì)測(cè)量工程中的測(cè)繪文件通常是以文本文檔的格式存在的，在導(dǎo)入的過程中，需要將其轉(zhuǎn)換成Excel格式。根據(jù)礦山地質(zhì)測(cè)量工程建模的基本原理，制定了礦山地質(zhì)測(cè)量工程的建模步驟:①打開Smart3D Capture軟件，新建項(xiàng)目，輸入礦山地質(zhì)測(cè)量工程的具體名稱，選擇相應(yīng)的礦山地質(zhì)測(cè)量工程目錄；②添加需要建模的礦山地質(zhì)測(cè)量工程現(xiàn)場(chǎng)施工圖片，檢查圖片的完整性；③從礦山地質(zhì)測(cè)量工程現(xiàn)場(chǎng)施工圖片上選擇合適的控制點(diǎn)，并將其添加；④利用Smart3D Capture軟件中的Context Capture Center Engine對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)量工程進(jìn)行空中三角量測(cè)；⑤對(duì)測(cè)繪得到的礦山地質(zhì)測(cè)量工程影像進(jìn)行分塊處理；⑥對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)量工程進(jìn)行3D建模，選擇模型的輸出格式和使用的坐標(biāo)系統(tǒng)，選中需要建模的瓦片；⑦等待建模完成。

圖4 礦山地質(zhì)測(cè)量工程建模原理Fig.4 Principle of engineering modeling of mine geological survey

3 結(jié)果分析

根據(jù)2.2節(jié)中礦山地質(zhì)測(cè)量工程的建模結(jié)果，經(jīng)過Smart3D Capture軟件處理，得到礦山地質(zhì)測(cè)量工程的測(cè)繪結(jié)果，其中礦山地質(zhì)測(cè)量工程的整體測(cè)繪結(jié)果如圖5所示。

圖5 礦山地質(zhì)測(cè)量工程的整體測(cè)繪結(jié)果Fig.5 Overall mapping results of mine geological survey engineering

分析圖5可知，利用測(cè)繪參數(shù)調(diào)整后的無人機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)研究區(qū)域的整體測(cè)繪結(jié)果較完整，可以使得礦區(qū)的地物銜接更加緊密，展現(xiàn)出更加逼真的紋理，測(cè)量完整性較好。

礦山地質(zhì)測(cè)量工程的建筑細(xì)部圖如圖6所示。

分析圖6可知，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)通過布置地面控制點(diǎn)，得到了研究區(qū)域外方位元素和地物的地面坐標(biāo)，能夠展現(xiàn)出礦山地質(zhì)測(cè)量工程的基本輪廓和礦區(qū)建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建筑物附屬表現(xiàn)和屋檐基本完整。

礦區(qū)山體背面樹木測(cè)繪結(jié)果如圖7所示。

圖6 礦山地質(zhì)測(cè)量工程的建筑細(xì)部Fig.6 Architectural details of mine geological survey engineering

圖7 礦區(qū)山體背面樹木測(cè)繪結(jié)果Fig.7 Mapping results of trees on the back of the mountain in the mining area

分析圖7可知，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)礦區(qū)山體背面樹木的測(cè)繪結(jié)果較清晰，可以獲取礦山測(cè)量工程的多視覺影像，根據(jù)礦區(qū)地面控制點(diǎn)的選擇，可以生成礦山地質(zhì)測(cè)量工程的三維測(cè)繪模型，得到完整且清晰的測(cè)繪影像。綜合上述分析可知，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中應(yīng)用后，具有全局完整性較好、局部細(xì)節(jié)清晰等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中的應(yīng)用研究，結(jié)果顯示，應(yīng)用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)可以生成礦山地質(zhì)測(cè)量工程的三維測(cè)繪模型，得到礦區(qū)整體狀況、建筑細(xì)部情況和山體背面樹木等基本信息。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以考慮到測(cè)繪人員的專業(yè)素質(zhì)，使無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在礦山地質(zhì)測(cè)量工程中發(fā)揮出一定作用，推動(dòng)礦山行業(yè)的發(fā)展。