無人機航測技術在露天礦山監測應用的研究綜述

鄭 浩

(華北理工大學，河北 唐山 063210)

前言

我國計劃在“十三五”期間實現我國重要成礦帶、礦集區、礦產資源規劃區的1∶50000～1∶10000全覆蓋礦山開發遙感調查和監測。建成全國礦產資源開發“一張圖”系統。自2006年“十一五”期間以來，礦山的多目標遙感勘測和監測開始實施，完成礦山開發狀況，礦產資源規劃和礦山狀況的礦區已經有30個省(市或區)重要成礦區，近20個國家重點礦區和6萬多個礦區。環境遙感勘測監測已完成1∶250000規模的遙感勘測監測面積120萬km2，1∶50000和1∶10000規模的遙感勘測監測面積780000km2。查出18000多個違規建設或越界開采的礦山，識別了6800多個露天礦山區域內容易發生地質災害滑坡泥石流等的區域，為每個省份對省內礦山開發開采的管理工作和開采后地質環境治理工作提供了重要的依據。初步建立了一種將常規調查和緊急情況監測相結合并融合了天地人的礦山遙感監測技術系統。正在形成覆蓋全國的地物遙感監測網絡[1]。

1 無人機航測在國外的發展狀況

無人機航測技術主要包括飛行器技術、傳感器技術、姿態控制技術、通信技術和影像處理技術[2]。最初的無人駕駛飛行器在軍事范疇的利用更普遍。第一次世界大戰期間，英國軍方首次提出開發一種小型飛機，這種飛機不需要有人駕駛，可以飛到目標地區進行轟炸。然而，由于當時技術的不成熟，這個計劃擱淺了。直到美國在1916年對第一架無人機進行了成功的測試。無人機航測技術是在20世紀末集成電路和雷達節制技術有了較大的成長以后邁出了重要一步。Prayila和Wester-Ebbinghaus完成了世界上第1次利用旋翼無人機做航測，在1979年和1980年先后進行了2次實驗，第1次是光學相機做實驗，第2次實驗搭載Rolleifex相機。這次實驗結果，對于后來無人機在航空攝影測量中的應用研究有著巨大的參考價值[3-5]。

20世紀末期，隨著雷達控制和集成電路技術的持續發展，無人機航行控制技術也得到巨大突破，無人機的性能方面包括飛行姿態、航行時長和作業范圍大小等都有著明顯的提高，其中最大的突破是無人機可完成預編程控制飛行，甚至自主飛行?，F階段在國外，有上百種各類用處各類機能的無人機，具備代表性的旋翼無人機首要有OS4和Mesicopter 2種，OS4來自于瑞士聯邦理工學院(EPFL)，Mesicopter是四旋翼無人機由美國斯坦福大學研發而成；牢固翼無人機首要有UX5(美國天寶公司)、eBee(瑞士senseFly公司)和天狼星Sirius Pro(Topcon)；而在復合式無人機范疇TerraHawk CW-30無人機占有了首要市場，是由美國JOUAV公司結合Phoenix LiDAR體系公司研發而成。

在傳感器技術方面，中型傳感器的像素已經可達到8000萬像素，能夠取代許多大型傳感器的作業工作，高像素的鏡頭與集成技術作為無人機航測的主要技術，其發展為航測任務的發展奠定了基礎，也使得攝影傳感器的應用領域得到了拓展。中小型相機和小型穩定器的組合重量輕，易于攜帶，在應急測繪方面有很好的利用遠景?？梢越M合不同類型的傳感器以執行多波段高光譜攝影測量。小型價廉的激光掃描設備與MS相機集成在一起，通過相應的軟件可以用于解決任務計劃和導航等問題。

在數據處理軟件方面，數據量大、分辨率高、影像重疊度高的無人機影像與遙感影像相比來說，一些傳統的遙感軟件，如ENVI、ERDAS IMAGINE、PCI等遙感圖像處理軟件無法滿足無人機影像的數據處理需求。所以航測內業人員想要大量的無人機影像數據在短時間內處理完同時又要保證航測相片的處理精度的，就需要專用于無人機影像處理的軟件。

目前，國外主流的無人機影像處理軟件平臺有LPS(徠卡公司)、Inpho(德國INPHO公司)、PCIGeomatica(PCI公司)和Pix4Dmapper(瑞士Pix4D公司)。還有最近幾年由于無人機航測更加面向三維數據而使用較多的Photoscan、Context CaptureCenter以及上文提到的Pix4Dmapper等軟件。

Guillaume Brunier等利用無人機航測在法屬圭亞那灣進行了數據采集工作。獲取了2013年和2014年的數字地表模型數據，經過比較分析，發現了2013—2014年度法屬圭亞那灣地質形式的變化[7]。2015年，克勞迪婭(Claudia)等人使用無人機測量了西班牙安達盧西亞地區的溝壑，并建立了溝壑的三維模型[8]。

2 無人機航測在國內的發展狀況

在我國，在過去近40a的時間民用無人機逐步發展起來，早在1980年，一款主要用于航測和航空物探的多用途無人機D-4在陜西省科學技術委員會與西北工業大學共同努力下研發而成，但直到1995年，D-4無人機才進入量產階段。此后，無人機的應用領域也逐步擴展，如在進行植物保護監測、抗震救災、電力設施建設、氣象監測等方面，都有無人機活躍的身影。近年來，無人機攝影測量受益于成熟的技術和產品的商業化。路徑導航、續航能力、極端條件的航行、建模算法和模型精度等問題已得到一定程度的解決，可應用于古跡的維護和環境保護。在礦產資源調查、地質災害監測、災后損失評估、地圖測繪、農業精準管理等領域均取得了顯著的成績。2008年5·12大地震后，王青山等通過對川西北堰塞湖進行無人機航拍，獲得了高清的震后災區的影像資料，為預防震后次生災害工作提供了有力的支持[9]。楊青山等使用無人機和傳統礦山測量2種方法分別對新疆軍嫂礦和五洲四號礦進行了礦山動態儲量評估，并對評估結果對比分析。據測算，使用無人機航空攝影測量對礦山儲量進行動態監測所耗費的時間僅是傳統測量方式的1/3，極大地減少了工作量，提高了生產效率[10]。2016年，韓文霆等在河套灌區塔爾湖鎮進行一次航測，使用決策樹、向量積等方法對灌區成果進行了分類。研究結果表明，分類精度良好，使用無人機航測技術可以在灌區進行土地利用和覆被分類[10]。

3 露天礦山監測的現狀

我國礦產資源總量世界第3，是一個礦產資源豐富的國家，但隨著經濟的快速發展，不斷增加的礦產資源需求，使我國越來越重視礦產資源開發管理。正因此，對我國現有的礦產資源進行合理的開發是非常有必要的。對礦山進行實時動態監測也是是非常有必要的。礦山測量所獲取的數據必須要有足夠的精度，因為這些資料質量的高低決定了后續礦山開采工作的進行，同時關系到礦區內作業人員的生命安全和開采過后的土地恢復治理工作的開展。實時動態監測能夠實時掌握露天礦山開采的準確性和開采進度，為建設數字礦山提供了可靠的技術支撐。通過礦山無人機航測數據獲取礦山三維模型，利用全站儀獲取露天礦山的二維坐標，利用GPS-RTK技術采集露天礦山區域內精確控制點，制作精準的露天礦山開采區域的三維模型作為基礎數據，為后續露天礦山開采工作的管理打下一定的基礎。無人機航測、GPS-RTK等一些新興的測量技術在礦山測量工作中使用大大削弱了以往傳統測量方式的局限性，多種測量方法儀器相結合對礦山進行數據采集，均衡利弊，保證了準確性和高效性。就目前而言，選用哪種測量方法或者是哪種測量技術都要根據所在礦區的具體情況做決定[6]。對于重點礦山區域的測量，在必要時應準備計劃。在測量過程中對于誤差產生的3個來源環境、儀器和人員分別進行控制?，F代化的測量儀器大都屬于高精密儀器，因此在實際測量過程中應注意溫度、天氣狀況等環境因素。同時，還應考慮如何盡量減少人為因素和非人為因素對測量結果準確性的影響。此外，在對露天礦山監測過程中，由于礦區內不同區域所需要監測的重點有所不同，必須因地制宜，采用不同的測量方法根據不同的測量要求，以確保相同條件下礦山監測結果的精準度。

GPS接收機自從我國在20世紀80年代中期引進以來，其應用范圍逐漸擴大，在工程應用方面也取得了不錯的成績，應用GPS靜態相對定位技術布設精密工程控制網礦山測量和礦區油田地面沉降監測等精密工程加密測圖控制點應用。應用GPS實時動態定位技術可進行工程建設的放樣以及地形圖的測繪等。我國礦山的勘測工作也伴隨著GPS接收機技術發展得到飛躍性的進步。GPS的應用使得礦區的控制測量工作從不可能變成了有可能，從而取代了使用全站儀進行控制測量的繁瑣步驟。RTK技術通過全球定位系統對地面點的坐標進行精確測量，從而可以獲得大型礦區的地形圖數據。與傳統的全站儀控制相比，使用GPS-RTK技術的最突出之處是人們不再需要考慮地形是否通視、不再受地形因素的限制，優化了先前使用全站儀繁瑣的測量步驟，提高了工作效率，減少了資源的浪費。甚至在一定程度上保護了生態環境，因其不需要因為通視問題而砍伐有陰影的樹木。近年來，GPS-RTK技術在地勘方面技術的成熟使得它在露天礦山測量中具有無法替代傳統測量方法的優勢，但是對于大型礦區，由于GPS信號接收等問題并無法完全實現礦井測量的數字化。

王鴻鴿研究了無人機航測在礦山測繪中的實際應用，使得低空無人機遙感測量在大比例尺測圖中的應用得以實現[13]。張忠結合了多年的切身經驗，分析了低空無人機遙感測量的特點和適用范圍，論述了在礦山測量上無人機測量的方法[12]。

國土資源管理工作要求對我國各重要成礦帶、礦集區和重要規劃區的礦產資源開發狀況進行全面調查，實現“一年一圖”、“以圖管礦”。但目前的工作僅實現了對163個國家重點礦區的一次調查。隨著我國工業化、城鎮化的進一步深入，經濟社會發展對礦產資源供給提出了更高的需求。為保持我國礦產資源開發與礦山地質環境保護工作的和諧發展，為國家管理礦政工作提供技術支撐，需要利用攝影測量和遙感技術在重要的礦產資源開發地區進行礦山開發調查與監測工作。礦山監測工作主要內容有監測礦山區域內地質環境、監測礦山工作是否按照礦產資源規劃進行開采開發和監測礦產資源開發現狀，目前來說各省市的主要礦集區、成礦帶是主要的監測對象，2011年國家實施礦山監測工作共部署1∶10000或1∶50000比例尺監測區261個，工作區遙感解譯總面積達到55.8萬km2。2012年遙感監測工作部署涉及217個全國重點礦區、工作面積90.4萬km2。目前，已經完成194個監測區、80.1萬km2的遙感監測工作，其中，1∶50000監測區60.2萬km2，1∶10000監測區10.9萬km2，共提取出礦產疑似違法圖斑4713處。

4 結論

基于無人機航測數據對礦山環境進行動態變化監測和實時監測，為礦山環境保護與修復監測提供最有力支撐。采用無人機航測技術，以省或市為單位對地形復雜的礦山開展調查監測工作，獲取露天礦山的資源開發利用建設信息，覆蓋轄區內大大小小的露天礦山制作正射影像圖和三維模型為露天礦山后續的開發開采工作提供依據。需要整頓和規范化的重點露天礦山，可進行兩、三年的連續監測，以監督和審核礦山管理人員進行礦區內資源開發秩序的整頓工作和資源開采后的環境治理工作，同時也可結合地理信息系統為以省或市為單位建立露天礦山監管系統提供了技術支撐。