消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在露天礦山開(kāi)采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

李睿智，徐 洋

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第八地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

我國(guó)擁有數(shù)千座露天礦山，其產(chǎn)出的礦石、煤炭等資源對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用，是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料。同時(shí)，礦業(yè)產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)的一個(gè)重要支柱產(chǎn)業(yè)，為提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和質(zhì)量，保障國(guó)家能源安全和資源安全發(fā)揮了重要作用。露天礦山開(kāi)采可能會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成一定影響，包括地表沉降、噪聲振動(dòng)、產(chǎn)生灰塵等，因此，需要實(shí)時(shí)了解礦山開(kāi)采的進(jìn)度和狀況，監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山中的安全隱患，還能優(yōu)化開(kāi)采方式，提高開(kāi)采效率，減少礦業(yè)資源浪費(fèi)[1-3]。

傳統(tǒng)的礦山監(jiān)測(cè)需要人員進(jìn)入采礦區(qū)域進(jìn)行巡查，存在安全隱患，而無(wú)人機(jī)可以避免人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，保證巡查過(guò)程的安全可靠。因此，巡檢已成為當(dāng)前礦山監(jiān)測(cè)的主要作業(yè)方式，但是傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)單次飛行成本較高，且飛手培養(yǎng)難，外業(yè)成本高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。而消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的成本相對(duì)較低，維護(hù)和操作也比較簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行，在復(fù)雜的飛行環(huán)境下，消費(fèi)級(jí)小型無(wú)人機(jī)更靈活安全，能夠完成更加靈活的巡檢任務(wù)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)機(jī)巢可以遠(yuǎn)程對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)起飛、巡檢、數(shù)據(jù)傳輸和降落充電等功能，為礦山管理提供定期的監(jiān)測(cè)巡查和數(shù)據(jù)采集服務(wù)。因此，本文主要針對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在露天礦山開(kāi)采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)是一種體積小、重量輕、價(jià)格較低且易于攜帶和操作的無(wú)人飛行器，其主要以個(gè)人、業(yè)余愛(ài)好者和小規(guī)模應(yīng)用為主，用途包括拍攝照片和視頻、科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)及物流配送等。與行業(yè)專(zhuān)用和商用無(wú)人機(jī)相比，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的價(jià)格低廉，維護(hù)成本低，操作簡(jiǎn)單，使得大眾群體也能夠擁有和使用無(wú)人機(jī)，代表了無(wú)人機(jī)技術(shù)的大眾化趨勢(shì)。目前，市場(chǎng)上的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)主要有遙控小型飛行器、自主導(dǎo)航追蹤無(wú)人機(jī)、民用無(wú)人機(jī)等不同類(lèi)型，主要還是以簡(jiǎn)易的飛行控制器為核心，利用遙控器或智能手機(jī)應(yīng)用程序來(lái)控制，常見(jiàn)的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)品牌有DJI、Parrot、Yuneec 和Syma 等。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，并搭載多角度相機(jī)，通過(guò)航拍獲取目標(biāo)物清晰完整的影像數(shù)據(jù)，其改變了傳統(tǒng)航拍技術(shù)的限制，有效提高三維模型生產(chǎn)效率，可以更加清晰反映地面實(shí)物的實(shí)際情況，大幅度降低了三維建模數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間、人力和經(jīng)濟(jì)成本。如圖1 所示，圖中PP′為相機(jī)主光軸，ON 為被攝點(diǎn)的垂直與地平線方向，t 為PP′與ON 的夾角。當(dāng)傾斜角度5°30°時(shí)即為高度傾斜影像[3-4]。

圖1 傾斜攝影傾斜角度示意圖

攝影測(cè)量的主要測(cè)量對(duì)象是地球表面，根據(jù)對(duì)地面獲取影像時(shí)攝像機(jī)安放的位置不同，攝影測(cè)量可分為航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、低空攝影測(cè)量和地面攝影測(cè)量。低空攝影測(cè)量一般航高在100~1000 m 之間，低空攝影測(cè)量具有成果快、生產(chǎn)周期短、運(yùn)作成本低和可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，在危險(xiǎn)區(qū)域圖像實(shí)時(shí)獲取、土地變化監(jiān)測(cè)、建筑物違章監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測(cè)和應(yīng)急指揮等方面有著廣泛應(yīng)用。

1.3 無(wú)人機(jī)機(jī)巢

無(wú)人機(jī)機(jī)巢也叫無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)、無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)巡檢需要人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操控，而如果在測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)機(jī)巢，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛、作業(yè)和降落則可以實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采自動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)無(wú)人機(jī)的大小，無(wú)人機(jī)機(jī)巢可以分為大型、中型和小型無(wú)人機(jī)機(jī)巢；根據(jù)無(wú)人機(jī)電池的補(bǔ)能形式，則可以分為充電和換電機(jī)巢。本次巡檢主要應(yīng)用到的是小型、充電型無(wú)人機(jī)機(jī)巢。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及三維模型重建

2.1 作業(yè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位于某市偏遠(yuǎn)地區(qū)的某小型露天煤礦，礦區(qū)面積約為0.5 km2，按照開(kāi)采規(guī)劃要求定期采集地勢(shì)變化和土地利用情況數(shù)據(jù)，幫助礦山管理者制定管理決策。由于測(cè)區(qū)整體面積較小，本項(xiàng)目擬采用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，應(yīng)用Mini 無(wú)人機(jī)機(jī)巢實(shí)現(xiàn)礦山自動(dòng)監(jiān)測(cè)。整體技術(shù)流程如圖2 所示，首先監(jiān)測(cè)管理人員根據(jù)巡檢需求和礦區(qū)地形情況，確定巡檢范圍和路徑，并將巡檢任務(wù)輸入Mini 機(jī)巢智能系統(tǒng)中，設(shè)定巡檢內(nèi)容和時(shí)間；然后Mini 機(jī)巢對(duì)無(wú)人機(jī)下發(fā)巡檢任務(wù)，無(wú)人機(jī)飛行到指定位置后執(zhí)行飛行任務(wù)，利用各種傳感器采集相關(guān)數(shù)數(shù)據(jù)信息，并上傳到云端進(jìn)行分析處理；最后無(wú)人機(jī)完成飛行計(jì)劃，自動(dòng)返航回到機(jī)巢進(jìn)行充電。

圖2 無(wú)人機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)流程圖

2.2 傾斜攝影外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集設(shè)備為大疆御Mavic Air2 無(wú)人機(jī)，該款無(wú)人機(jī)僅重570 g，屬于小型多旋翼消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，主要用于娛樂(lè)級(jí)航拍。該款無(wú)人機(jī)懸停垂直和水平精度均為±0.1 m（視覺(jué)定位正常工作時(shí)）、±0.5 m（GPS 正常工作時(shí)）。連拍影像分辨率約為1 200 萬(wàn)像素，最快飛行速度約為19 m/s（運(yùn)動(dòng)檔），最長(zhǎng)飛行時(shí)間約為34 min。無(wú)人機(jī)機(jī)巢選擇的是智方S10 小型無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)，體積小、重量輕，長(zhǎng)寬高均為0.8 m，本項(xiàng)目將無(wú)人機(jī)機(jī)巢安裝在礦區(qū)某辦公樓樓頂，距離測(cè)區(qū)約800 m，無(wú)人機(jī)及機(jī)巢如圖3（a）所示。影像數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)處理應(yīng)用的都是某云端控制系統(tǒng)，主要包括3 個(gè)主要功能。第一，任務(wù)規(guī)劃管理。為無(wú)人機(jī)設(shè)置新的飛行任務(wù)，同時(shí)也可查看歷史所建飛行任務(wù)，并對(duì)已保存的任務(wù)進(jìn)行編輯；第二，執(zhí)行任務(wù)管理。指派特定的無(wú)人機(jī)對(duì)選擇的任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行，包含地圖顯示、在線無(wú)人機(jī)、待命無(wú)人機(jī)、任務(wù)執(zhí)行及飛行操作等。第三，數(shù)據(jù)管理。對(duì)無(wú)人機(jī)、自動(dòng)機(jī)場(chǎng)、載荷的飛行數(shù)據(jù)和后期處理作業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，并建立管理庫(kù)，方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)查閱和調(diào)用[5]。

圖3 無(wú)人機(jī)機(jī)巢及傾斜攝影航線設(shè)計(jì)

首先應(yīng)用配套云端控制系統(tǒng)先選定拍攝區(qū)域，然后使用大疆智能飛行器（御Mavic Air2）采集航拍數(shù)據(jù)。航拍過(guò)程中需要注意飛行高度、拍攝角度等參數(shù)的設(shè)置，以獲得高質(zhì)量的航拍數(shù)據(jù)，飛行高度均設(shè)置為100 m，相機(jī)傾角分別設(shè)置為0°、30°、45°、60°和90°，航線規(guī)劃飛行參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

表1 飛行參數(shù)設(shè)置

本次影像數(shù)據(jù)采集航線重疊為80%，旁向重疊為70%，并設(shè)置“井”字型飛行航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，航線設(shè)計(jì)如圖3（b）所示。

待無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)完成后需根據(jù)回傳的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜實(shí)景三維建模，在云端控制系統(tǒng)中選擇“新建任務(wù)-三維建模”菜單，填寫(xiě)任務(wù)名稱(chēng)，然后任務(wù)欄里導(dǎo)入采集好的影像數(shù)據(jù)，這里需要導(dǎo)入的是多架次采集的航線拍攝圖片；再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括重建類(lèi)型、建圖場(chǎng)景、重建清晰度、計(jì)算模式和興趣區(qū)域建模等，并進(jìn)行像控點(diǎn)管理，設(shè)置像控點(diǎn)坐標(biāo)系，導(dǎo)入像控點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)；最后刺點(diǎn)完成后，退出像控點(diǎn)管理，提交進(jìn)行三維重建，等待重建完成，即可獲取實(shí)景三維模型。本項(xiàng)目建立的實(shí)景三維模型如圖4 所示。

圖4 露天礦山實(shí)景三維模型

由圖4 可以看出，傾斜實(shí)景三維模型航測(cè)的范圍涵蓋了整個(gè)礦區(qū)，影像成圖分辨率較高，在實(shí)景模型上即可對(duì)礦山周?chē)h(huán)境、礦山開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采現(xiàn)狀等信息進(jìn)行全局掌握。

為檢驗(yàn)三維模型的數(shù)據(jù)精度是否符合規(guī)范要求，本次共選取8 個(gè)校對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)檢驗(yàn)。將模型提取的坐標(biāo)成果與后期人工實(shí)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比（表2），平面中誤差不超過(guò)0.55 m，高程中誤差不超過(guò)0.7 m，參照GB/T 7931—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》對(duì)礦區(qū)傾斜攝影測(cè)量模型精度規(guī)范，可以看出，基于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)建立的實(shí)景三維模型精度基本滿足相關(guān)礦山監(jiān)測(cè)調(diào)查要求。

表2 校對(duì)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表m

3 開(kāi)采監(jiān)測(cè)應(yīng)用

本項(xiàng)目應(yīng)用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)自動(dòng)執(zhí)行飛行任務(wù)、采集影像數(shù)據(jù)回傳并建立實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)礦山多方面監(jiān)測(cè)，主要包括以下幾個(gè)方面[7-8]。

3.1 工作面和邊坡的監(jiān)測(cè)

首先基于礦區(qū)實(shí)景三維模型提取出礦山工作面和邊坡的基本信息，采用人工標(biāo)注的方式，確定礦山工作面和邊坡的位置和范圍，再利用圖像算法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)影像進(jìn)行處理，提取出礦山工作面和邊坡的邊緣以及特征點(diǎn)，獲得精確的工作面和邊坡的信息；然后進(jìn)行工作面和邊坡的監(jiān)測(cè)，在礦山實(shí)景三維模型平臺(tái)上，可以實(shí)時(shí)顯示礦山的開(kāi)采狀態(tài)、工作面形態(tài)、邊坡位移等數(shù)據(jù)信息；最后進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析和反饋，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)隱含的安全隱患，提前采取措施進(jìn)行處理，保障礦山生產(chǎn)安全。

3.2 安全監(jiān)測(cè)

基于礦區(qū)實(shí)景三維模型可以對(duì)礦山內(nèi)外環(huán)境的各種信息加以提取和分析，形成各種需要的監(jiān)測(cè)參數(shù)，例如巖石表面小型塊狀裂隙矩陣、礦塊挑落傾角、礦山邊坡變形性能等參數(shù)，通過(guò)對(duì)礦山實(shí)景三維模型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和比對(duì)，為礦區(qū)的生產(chǎn)安全和礦塊資源合理利用提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山中存在的安全隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括大型礦坑、豎井、礦井巷道等危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行觀察，并為人員安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

基于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載各類(lèi)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以對(duì)礦區(qū)氣溫、空氣質(zhì)量、氣壓等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)；基于礦山實(shí)景三維模型，可以采集礦區(qū)植物的量化信息，如株高、樹(shù)冠寬度、葉面積指數(shù)等參數(shù)，并監(jiān)測(cè)植被面積、密度覆蓋情況。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理和分析可采用礦山大數(shù)據(jù)平臺(tái)，配備專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理。

3.4 設(shè)備監(jiān)測(cè)

未來(lái)還可以使用紅外熱成像技術(shù)，對(duì)照明設(shè)備、電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備進(jìn)行非接觸式的監(jiān)測(cè)。通過(guò)紅外熱成像可以實(shí)時(shí)捕捉到設(shè)備表面的溫度變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題，預(yù)防設(shè)備故障和事故。還可以基于礦山實(shí)景三維模型建立礦區(qū)設(shè)備管理平臺(tái)，記錄設(shè)備設(shè)定維護(hù)計(jì)劃及維護(hù)次數(shù)，并將計(jì)劃時(shí)刻表建立在監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行追蹤管理；同時(shí)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)也可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)分析，幫助礦工和設(shè)備工程師深入了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際情況。

利用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)巡檢可以提高礦山的安全性和效率，并且可以大大減少工作人員的風(fēng)險(xiǎn)，為礦山的安全和穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行礦山巡檢，可以提高效率、減少安全風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省人力物力資源，但是傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)人員操作技能要求高且不適用于小型礦山巡檢，因此本文將消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)應(yīng)用到礦山監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)了礦山自動(dòng)監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行礦山監(jiān)測(cè)可以減少人工監(jiān)測(cè)人力成本，提高任務(wù)效率，為企業(yè)提供全方位、高分辨率的數(shù)據(jù)支持，幫助礦山管理者更全面、高效地了解礦山開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采過(guò)程的快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。