旋翼無人機航測技術在露天礦山開采中的應用

（云南先鋒煤業開發有限公司，云南 昆明 655211）

在露天礦山開采過程中，為了采剝生產正常接續，保障邊坡安全，要定期對生產作業區和邊坡進行測量，為采剝量計算、邊坡穩定性分析奠定基礎。如今礦山測量采用最多的是GPS RTK測量技術，這種傳統技術具有集成、自動化程度高的特點，在一定程度上提高了礦山測繪效率，但是由于傳統測繪均是采用單點接觸式測量，對于露天礦中的陡坡、深溝及滑方區域，測繪人員難以到達且存在的安全風險[1]。近年來，隨著無人機航測技術的不斷發展，無人機測繪技術已開始被部分露天礦山企業應用于露天礦山開采中，意在提高測繪效率和安全系數。

1 民用無人機的分類及特點

目前民用航拍無人機按照機翼種類的不同，主要分為固定翼機與旋翼機兩大類。

固定翼無人機特點：①載重量相對較小，對拍攝器的重量要求較高，目前只能搭載如GOPRO、卡片機之類體積小、質量輕的拍攝器材；②飛行時機身晃動幅度較大，抗風能力比旋翼機差；③只能掠過式拍攝，不能懸停，不能實現傾斜攝影[2]；④速度快，航程長，效率高于旋翼機。

旋翼無人機特點：①垂直起降，可懸停，飛行靈活，易于控制，拍攝角度多變，并能夠實現精確懸停，定位拍攝，可夠實現傾斜攝影，可更好更直觀地建立拍攝區域的三維模型；②旋翼無人機對復雜的地理環境、天氣有很強的適應性，抗風能力強于固定翼無人機；③功能豐富，作為良好的搭載平臺，更多地應用于工程測繪、救災、農業播種等領域[2]；④飛機耗電強度大，飛行速度慢，單次航程和工作效率低于固定翼無人機。

2 旋翼無人機在露天礦開采中的應用

旋翼無人機因其飛行靈活、抗風能力強、擴展功能多、能實現傾斜攝影等特點，逐漸在中小型露天礦山中開始被應用。云南先鋒露天礦是位于云南高原地區設計年產能390萬噸的中型露天礦，該礦結合山坡地形條件、常年多風和礦區面積大小適中等實際情況，選用了P550六旋翼無人機搭配五鏡頭傾斜相機建立了礦山無人機測繪系統，可應用于露天開采過程中的采剝量計算、邊坡監測及穩定性分析等工作。

表1 P550無人機設備參數

表2 五鏡頭傾斜相機參數

先鋒露天礦利用該套旋翼無人機及五鏡頭相機搭建的測繪機制和應用流程為：通過與無人機匹配的飛行控制軟件，規劃無人機航線，五個鏡頭分別從前、后、左、右、垂直的傾斜角度拍攝測區影像。航拍時，同時記錄航速、航高、航向及旁向重疊、坐標等參數，然后把采集的多視角影像數據拷貝到計算機，利用離散點云，采取三角網構建算法中的分治算法構建不規則三角網(Triangu1ated Irregu1ar Network，TIN)，生成航測區域的數字高程模型（DEM），也可通過專業的建模軟Smart 3d件構建高分辨率的三維實景模型，然后通過建立的模型應用于露天礦開采過程中的相關環節。

（1）應用于露天開采過程中的采剝方量計算。將露天礦開采前后預處理得到的DEM模型應用到礦業工程三維軟件3DMine中，先在3DMine中將DEM模型裝換為DTM表面模型，通過開采前后的DTM表面模型，建立封閉的DTM模型，最后將封閉的DTM模型分為若干個方格并建立封閉表面模型內的塊體模型，對每個方格按照長方體進行體積計算，最終通過將各個方格網累加得到工程量計算區域總工程量[3]，并分別得到采礦量和剝離量。先鋒露天礦選用的航測旋翼無人機，每架航次有效作業時間為30分鐘，可航拍0.8km2，兩個架次就能完成整個采坑的航拍，測量技術員的野外作業效率較傳統的RTK測量方法提高了近十倍。

（2）應用于露天礦邊坡監測及穩定性分析。通過該套航測系統預處理得到的數字高程模型 (DEM) 是分析露天礦邊坡穩定性的重要基礎工作，建立的DEM模型可轉換成GRD、DXF等多種格式的數據文件，結合PFC3D、F1ac3D等數值模擬軟件可實現露天礦邊坡的穩定性計算和分析。

（3）在露天礦災害可視化及邊坡災害預警方面的應用。預處理得到的數字高程模型（DEM）上可以顯示地形起伏，并可添加文字符號及地圖要素等多種數據，在保證DEM 數據、航測影像及地圖要素等的位置坐標一致的前提下，能實現露天礦災害的三維可視化建立。經過鑲嵌糾正處理后的航拍影像能夠提供清晰完整的地物信息，并可快速成圖，滿足露天礦災害的定量評估與地物解譯要求。

此外，對數字高程模型上的每個三角單元逐個進行紋理映射，可制作更加逼真的露天礦邊坡三維數字模型，從模型上量取滑坡區域的寬度、長度、面積、坡度、高程、體積等信息，可完成露天礦滑坡災害定量評估，為開展邊坡監測預警工作，并有針對性地編制防治預案奠定了基礎。

3 結論及展望

旋翼無人機航測技術能極大地提高露天礦山開采過程中的野外測量效率、減少技術員勞動強度、提高測量作業安全系數，在先鋒露天礦的試驗運用結果表明，通過航測數據輔以相應的計算機軟件取得的采剝算量、邊坡監測及穩定性分析等成果能達到露天礦山安全生產及質量標準化要求，現在存在的主要不足是，航拍數據處理對計算機軟硬件以及技術員的業務素質要求比較高，利用航拍數據建立三維模型的效率相對較低，內業作業時間比起傳統測繪技術長，總的說來，無人機航測技術在露天礦山開采中有較好地應用前景。