無人機航攝技術在露天礦山監測中的應用價值探討

(1重慶地質礦產研究院外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室 重慶 渝北 401120；2重慶理工大學 重慶 巴南 400054)

1 無人機航攝技術綜述

近年來，無人機航攝技術在很多行業都得到了廣發的運用。尤其是影響分表率較高、運營成本較低、且高效靈活的輕小型無人機更是得到了各行各業的青睞。在農業估產、地理信息測繪、森林火警監控、環保監測等方面，無人機航攝技術都發揮著不可體態的作用。

無人機航攝系統與傳統的數據采集方法相比，不僅成本更為低廉，工作效率也有了顯著的提高。無人機航攝技術能夠以最快的速度獲取所需信息，并滿足了當下各行各業對信息化的需求。據此，無人機航攝技術與測繪工作的關系越來越密不可分，已然成為了我國測繪行業首要選擇的工具之一。

1.1無人機的發展現狀。1917年，無人機誕生。最初通過控制計算機系統或無線電遙控裝置來實現無人機不載人的飛行目標，進行軍事監視活動是無人機早期的使用目的。隨著科技的不斷發展，各個類型的傳感器都有了長足的發展。無人機的使用范圍也由原先的軍事領域擴大到各行各業。無人機的功能以及其監測范圍也得到了極大程度的擴充。

美國、南非等其他國家都非常重視無人機的研制和生產及應用。美國在發展無人機計劃的同時，也考慮民用和商用的可能性，如環境監控、毒品偵察、測繪等。

中國的無人機研制從20世紀五十年代開始。其中我國“長空一號”靶機是較為成功的無人機研制案例。作為一家大型噴氣式無線電遙控高亞音速飛機，“長空一號”的成功研制，開創了我國無人機生產研究的先河。并且在此基礎上，“長空一號”被改裝為核試驗取樣機，并在1977年成功完成一次核試驗穿云取樣任務。

在我國，高空、高速、中遠程、長航時、大載荷等類型的無人機主要應用于軍事領域，主要由航空集團、航天集團以及院校研制與生產，國內主要有北航、南航、某些研究所等單位研制。

目前民間應用正在逐步滲透，航空遙感、災情監報、礦藏勘探、數字中國建設等都需要大批量地使用無人機。根據專家預計，今后10年內民用無人機市場的銷售額可達10億美元。無論是軍用還是民用，無人機都將朝著模塊化、標準化、多樣化和系列化的趨勢發展，其應用范圍廣泛，前景喜人。

同時民用無人機在航測領域的應用還可以作為衛星遙感手段的補充。衛星影像成為中小比例尺遙感監測和制圖的主要數據源，甚至成為1：1萬地形圖和專題圖制圖與更新的重要數據源。但由于受到衛星臨空周期、氣候和供給渠道的制約，用戶訂購高分辨率衛星數據在覆蓋度、時效性以及分辨率方面受到較大影響，

1.2無人機系的統構成。通常情況下，無人機系統主要包括雙向鏈無線電數據傳輸系統、無線電遙控設備、無人機平臺、地面站監視軟件系統。

目前較為常用的無人機主流操作模式有彈射起飛模式與手控滑行模式。無人機在升空之后自動進入駕駛模式。航拍任務結束之后，無人機自動回到出發點，并由無人機操作人員進行手動著陸。

1.3無人機航攝系統主要優勢。

(1)拍攝條件。無人機航攝系統與衛星遙感技術相比，能抵抗6級風并可以在云下進行拍攝于飛行。在小雨環境下，無人機仍能保持良好的運行狀態并采集相應的監測數據。可見，無人機航攝技術對天氣的要求相對衛星遙感技術來說更低，同時也能及時獲取勘查信息。無人機與傳統航拍技術相比，起飛降落限值較小、操作難度較低等都是優點。

(2)航拍精度。 無人機航拍的分辨率可以達到50mm～400mm，相比其他拍攝技術來說，其精度更高。無人機航拍成圖比例尺一般為1：500～1：5000之間。其精度與成圖比例尺可以有效滿足礦山測量的實際需要。同時，無人機所得到的航拍數據可以為礦山礦界變更等項目的推進與研究提供有力的技術支撐。

(3)拍攝成本。目前無人機航攝系統的成本主要維持在幾十萬元至幾百萬元的范圍之間。目前最先進的無人機的引進價格能夠達到上千萬元。一般來說，無人機航拍服務費能夠達到幾百元或數千元每平方千米。但在不同區域，無人機航拍的服務費也略有不同。與傳統航拍等方式相比，無人機航攝技術仍有成本優勢。

(4)拍攝能力。在理想的地理條件和環境狀態下，一架較為普通的無人機可以在二十四小時內獲得面積小于或等于110平方千米的航拍數據。這種規模的航拍數據已經能夠充分滿足大部分項目對于航拍數據的實際需求。另外，無人機航攝技術還能為礦山監測項目提供數據補充的作用。

2 露天礦山工程快速測量方法

2.1影響測量的主要因素及誤差來源。

(1)影響測量的主要因素。在露天礦山工程開展過程中，其采剝量和施工區域都處于擴大和變化的過程中。并且隨著礦山采剝調節的推進與循環，采用上下尾隨式的作業方式，并且其施工點多，施工面也廣。礦山開采工作中涉及穿孔爆破、礦石的鏟裝運輸等工序，各個工序涉及的設備種類眾多。礦區的地質構造往往十分復雜，礦石的品位隨著采礦塊段的變化也發生著巨大的變化。也會存在十分嚴重的礦廢交替的情況。這些因素都會導致礦山監測數據出現誤差。

(2)誤差來源。

①控制點誤差。1：1000是傳統露天礦山控制網所愛用的大比例地形測圖精度。控制點分布由導線點、交會點。10″小三角點由高到底構成。這種方法具有擴展級數多的特點，這就導致了傳統方法的累計誤差打，并且其用作工程控制帶你的精度也不會很高。

②現場測量過程中的誤差。在現場測量過程中，礦山往往處于開采過程中。而施工現場往往存在頻繁的較差作業，并有許多工種共同作業。大量的爆破工種和鏟挖量導致工作平臺發生較大變化。相應的測量標志也很容易受到影響或破壞。為了減小礦山生產過程中對測量產生的影響，測量人員不得不不斷補充擴展測量控制點，在這個過程中，現場作業行為就對測量精度產生一定影響。測點方式不到位、手持棱鏡桿后視都會導致精度的偏差。車輛、電鉆等生產設備運行時產生的機械振動、水平角誤差、垂直角觀察誤差等都影響著現場測量過程中的誤差。

2.2現行露天礦山快速測量的基本條件與原理。

(1)基本條件。現行的露天礦山施工快速測量方法要求運用現有的測量設備，并在保證測量精度的前提上，選擇符合礦山開采施工要求的測量方法。同時也要保證測量精度的合理性與測量工作的效率。

在開始測量之前，要滿足一下條件：

測量的起算邊距與測區的距離應該較近，并且所選的控制區域的面積應該較為適中，大部分的礦山外圍輪廓應該保證基本成型。視野通視條件好、穩定性好使在測量之前礦區周圍應該具有的特點。

(2)基本原理。

①測繪者應該充分利用礦山有利的地形條件，讓測量設備的準確性得到充分的體現。礦山周圍布設的基本控制點應該具有較高的精度。基本控制點一般作為測設控制點或施工放樣。

②在充分分析測量條件的情況下，最大程度低降低現場作業環境對測量產生的影響。從而保證盡量在精度較高的控制點上進行測量工作。特殊情況下應選用精度較高的設備補充控制點。

③收外界因素影響較小的地段或礦區周邊應該作為補充控制點或導線點布設首先考慮的地點。

2.3傳統及現行監測方法綜述。無論選擇何種礦山監測方法，全站儀和GPS一體化測量方法都是測量基礎。目前這兩種測量方式及設備已經普及到各個測量領域。但是在特殊的情況或地區下，全站儀可以配合RTK來完成測量工作。

但是這些方法由于地形的限制，很容易出現因地形復雜而導致測量盲區的產生。測量的周期較長、難度較大，人力物力投入較大也是傳統測量方式的短板。

在使用傳統方法對礦區進行測量的過程中，需要在施工區域內設置較多控制點，同時需要在不同的控制點上設置測量站。外界因素對測量結果的影響很大。快速測量方法雖然可以再通視條件較好的地方所設置的高精度控制點進行測設，但是其對于環境仍有一定要求。在有風、下雨等環境都會影響設備的運行，從而影響測量的精度。

3 無人機航攝在礦山測繪中的應用研究

3.1無人機航攝的方法與流程。現代化測繪手段有效加強了數字礦山的建設。而通過無人機航攝所采集到的礦區地理數據與圖形圖像，對簡歷礦山數字化模型有著明顯的作用。同時也為礦山的生產管理提供了詳盡有效的數據資料，同時也對礦山資源的綜合保護作用起著推動作用。本文以DOM數字正射影像圖快速生產與DLG數字線畫圖為例，闡述了無人機在礦區測繪時的運用，具體如下：

(1)航攝像空點布設與數據采集。根據相應測量外業規范要求，采用RTK差分定位的形式布設航攝像空點，然后采集高程三位數據和像控點平面數據。

(2)低空航攝與航線設計。操作者可以將谷歌影響作為底圖，并設定調查區域的角點坐標。然后根據航向等要求進行航線的布設。實際工程中為了保證三都重疊，經常會在調查區域橫縱方向較差布設航線。在無人機運行航攝過程中，除了嚴格按照航線飛行，還要時刻關注電池電量，保證無人機的正常運行。

(3)影像編輯、建模與外業調繪。無人機所采集的影像數據應該及時導入內業例題測圖軟件中。通過軟件完成影響的拼接建模和自動匹配，并快速形成三維模型。在軟件中，可以根據影像資料和事先布置的控制點的外業數據，完成外定向與影響配準。

(4)DOM、DEM數據處理。得到無人機采集的數據后，可以根據專業的軟件將初始的數據轉換為相應的DEM數字高程模型，并能夠保證數字劃線圖數據與其精度相匹配。

4 無人機在露天礦山監測中的技術特點

4.1數據獲取周期較短。衛星及其他常規的航空遙感技術，在環境等客觀因素的制約下，都很難及時獲取調查區域的遙感數據。由于衛星是有規律地在空氣中的既定軌道運行，所以衛星獲取的遙感數據具有周期性。并且受云層和大氣層的影響很大。而在辦理好空域飛行申請后才能開展常規航空遙感工作，其數據采集工作受到空軍的影響很大。空域飛行申請的申請與辦理往往要耗費一個月以上的時間。這在很大程度上就影響了數據的時效性，同時也影響了數據采集的效率。而無人機本身飛行的高度較低，不涉及空域申請等審批程序。只要通過相應注冊即可進行飛行監測工作。所以，只要氣象條件良好，就能夠開展無人機航攝工作進行數據的采集，這樣就能保證數據的連續性和及時性。

4.2數據分辨率較高。無人機的飛行高度一般處于1000米以下的低空內。無人機本身配備的傳感器往往屬于高分辨率的傳感器，其獲取影響的分辨率往往能夠達到厘米級。這樣精度的數據能夠滿足各種比例尺測量監測需要的工作。傳統的監測手段很難等達到這樣的精度。

4.3經濟效益較好。無人機本身運營成本較低，且操作十分簡單。相比傳統監測方式來說，無人機的技術手段的性價比十分優越。由于無人機航攝較高的經濟效益，從而具備了很大的推廣價值。

4.4無人機航攝在礦山開采監測與礦產資源保護上的應用。礦山在正常開采過程中很難避免對周圍環境的不利影響。所以對于鐵礦、煤炭等具有較高經濟利用價值的非可再生資源來說，加強礦山開采利用中的執法監督，嚴禁過渡開采、違法開采等行為，可以有效避免自然環境和生態資源的破壞與損害。

但是由于很多礦山所在區域都遠離城區或居住區，對其開展監督檢查等執法工作具有一定難度。為了保證礦山開采監測的有效進行以及對礦產資源的有效保護，必須借助現代的信息技術手段來完善傳統的礦山監管監督體系。而將無人機航攝技術投入到如今的露天礦山監測工作中，工作的效率得到了有效的提高。無人機航攝采集到的礦產資料可以實時上傳到政府部門，這些圖片及動態影像數據為國家加強礦產資源管理工作提供了詳細有效的參考資料。

目前很多無人機都配備了多光譜傳感器。這種傳感器可以對隱蔽礦區、礦山植被覆蓋部分獲取短期內的定量質量。這些信息對安排科學有效的礦區開發及保護治理工作計劃提供了必要的信息數據。

礦山信息化管理的有效手段就是數字礦山建設。而礦山基礎信息數據是建設數字礦山的基礎。其中地形圖件、遙感影像、高程數字模型等數據都包括在數字礦山數字庫中。目前多數礦山都采用傳統的監測手段來獲取相應的礦產數據。但傳統手段很難滿足礦山建設過程中需要對地理數據更新的需求。并且，傳統技術的操作周期長、成本高，都影響了實際的工作效率。另外，礦山所在地多為偏僻的山區，有人機航攝、衛星遙感等技術很難達到對信息的實際需求。并且也很難滿足礦山對數據現實性的要求。而低空無人機航攝技術的出現，則有效地解決了這些問題，同時也能滿足建設數字礦山的實際需要。

5 總結

無人機遙感航攝技術的空中遙感平臺以低俗無人機為主，并通過攝像、彩色、黑白、紅外燈傳感器技術在空中拍攝相應區域的影響數據，并通過計算機技術對這些采集來的圖像信息進行分析與加工。這個無人機航攝信息采集處理系統在最優化組合和設計方面都有顯著的特點。這也是一種融合遙測、遙感、遙控等多方面技術并與計算機技術進行良好配合的新型信息采集應用型技術。

因為無人機航測技術具有較好的實時性，所以這種技術可以及時對數據庫中的地質環境信息進行更新、升級和修正。這一功能為我國政府等職能部門對礦產、國土、環境等方面的管理、治理、監管工作提供了技術支持以及信息保證。

同樣，隨著我國改革開放的不斷深入，經濟、技術等方面都有了長足的進步。我國各個地區的地形地貌發生了很明顯的改變。現有的國土、礦產勘測技術已經很難滿足如今的生產需要。如今發展迅速的經濟文化建設事業也需要全新的遙感探測技術為其提供信息支持。而無人機正是應對這種需求而產生發展起來的一項全新的應用性技術，同時也能有效提升相關測繪行業的工作效率。相對傳統的地理資料踏查方法，無人機航攝技術的應用于推廣，有著十分重要的實際意義。