無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

伊本良

（象山縣土地勘測(cè)有限公司，浙江 寧波 315000）

礦物能源作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，其消耗量一直處于常用消耗能源的首位。隨著能源消耗的加劇，對(duì)于礦產(chǎn)消耗的控制方式需要進(jìn)行相應(yīng)的提升。因此，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量管理成為資源開(kāi)發(fā)利用的重要監(jiān)管環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)管理技術(shù)未普及使用前，礦產(chǎn)管理部門(mén)依靠繪制圖形、數(shù)據(jù)計(jì)算和生產(chǎn)資料管理的方法對(duì)礦山的儲(chǔ)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[1]。隨著信息技術(shù)的不斷提升與普及，目前多采用攝影測(cè)量技術(shù)完成儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)。在攝影技術(shù)的使用中，大致可分為3個(gè)階段。首先是以儀器為中心的模擬攝影測(cè)量；其次是解析攝影測(cè)量代替模擬攝影測(cè)量；最后，采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制的攝影測(cè)量技術(shù)以現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)技術(shù)作為依靠，獲取礦山的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)多年的嘗試發(fā)展，此技術(shù)還存在相應(yīng)的弊端，例如數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜、運(yùn)算過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)等等問(wèn)題。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，將無(wú)人機(jī)與攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合是優(yōu)化原有測(cè)量技術(shù)的重要途徑。因此，在此次設(shè)計(jì)中展開(kāi)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，希望通過(guò)此方式，簡(jiǎn)化礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)的難度，提升礦山儲(chǔ)量管理能力。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

針對(duì)目前對(duì)于礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法其使用要求的提升，在此次設(shè)計(jì)中將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)融入到礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)之中，具體應(yīng)用融合過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)上述設(shè)定的流程，完成基于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)過(guò)程。在此次方法設(shè)計(jì)中，將主要對(duì)無(wú)人機(jī)的使用進(jìn)行設(shè)計(jì)，將無(wú)人機(jī)影像融入礦山容量監(jiān)測(cè)中，并將監(jiān)測(cè)過(guò)程設(shè)定為動(dòng)態(tài)模式，提高監(jiān)測(cè)方法的使用效果。

1.1 構(gòu)建無(wú)人機(jī)航空攝影控制體系

為保證無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)量技術(shù)可應(yīng)用于礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中，首先構(gòu)建無(wú)人機(jī)航空攝影控制體系。無(wú)人飛機(jī)作為此技術(shù)的應(yīng)用主體，其飛行控制是此技術(shù)使用的基礎(chǔ)，無(wú)人機(jī)航空攝影控制體系由地面遙控和機(jī)載自主控制兩大部分組成[3]。

無(wú)人機(jī)的升空過(guò)程由地面工作人員進(jìn)行控制，當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定高度后的定點(diǎn)，由無(wú)人機(jī)自主控制平臺(tái)進(jìn)行控制。且在攝影測(cè)量的過(guò)程中，兩種控制方式可隨意切換。由于礦山面積較大，為保證無(wú)人機(jī)控制的有效性，在此次設(shè)計(jì)中對(duì)飛機(jī)機(jī)載自主控制部分展開(kāi)設(shè)計(jì)，其中包含飛機(jī)狀態(tài)感知傳感器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)以及無(wú)線電遙控收發(fā)裝置組成，其主要作用是實(shí)施對(duì)無(wú)人飛行器的有效操縱，將測(cè)量中的飛機(jī)控制設(shè)定為人工控制、程序控制和自主飛行三種模態(tài)。

上部分為無(wú)人機(jī)飛行控制設(shè)定，根據(jù)上部分設(shè)計(jì)無(wú)線電遙測(cè)模塊，通過(guò)此模塊可傳送無(wú)人機(jī)和攝影設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)航向、方位、距離及機(jī)上電源的測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示，具有數(shù)據(jù)處理與圖像顯示的功能。此部分設(shè)計(jì)可使監(jiān)測(cè)工作人員掌握無(wú)人機(jī)和攝影設(shè)備的有關(guān)信息，完成信息的傳輸與發(fā)送，以便于信息的調(diào)用與處理。

通過(guò)上述部分完成無(wú)人機(jī)航空攝影控制體系的構(gòu)建，無(wú)線電遙控部分用于傳輸?shù)孛娌倏v人員的指令，地面遙控部分用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，通過(guò)此兩部分保證無(wú)人機(jī)的正常使用。

1.2 礦山監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)定

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)與目前常用的測(cè)量技術(shù)三維測(cè)量技術(shù)最大的不同之處體現(xiàn)在人工測(cè)試點(diǎn)的使用上，為將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行全面性的應(yīng)用，在礦山數(shù)據(jù)測(cè)量前設(shè)定人工標(biāo)志，采用此標(biāo)志作為無(wú)人機(jī)的控制點(diǎn)以及待測(cè)點(diǎn)，通過(guò)待測(cè)點(diǎn)保證測(cè)量的精度要求。

在此次研究中，測(cè)量對(duì)象為礦山儲(chǔ)能情況，為了準(zhǔn)確地測(cè)量出準(zhǔn)備航測(cè)區(qū)域的坐標(biāo)值信息，就要采用人工布點(diǎn)的形式設(shè)定測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)。在標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用色塊的形式體現(xiàn)。將一個(gè)正方形分成四份，選取任意對(duì)邊的兩份為黑色，另外兩份為白色。通過(guò)此方式設(shè)定測(cè)量點(diǎn)，考慮到礦山地表的不穩(wěn)定性，在實(shí)際操作中，不能將人工標(biāo)記點(diǎn)隨意放置于地面，而是采用設(shè)立規(guī)則的鋼筋水泥柱的方式完成此設(shè)定，通過(guò)此方式確保測(cè)試點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)不會(huì)對(duì)測(cè)量造成干擾。

1.3 礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述設(shè)定部分，實(shí)現(xiàn)礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的主要基礎(chǔ)是通過(guò)無(wú)人機(jī)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)有效連接完成的，根據(jù)礦山儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，規(guī)劃以及確定平臺(tái)中各個(gè)模塊組成部分，并說(shuō)明各功能在整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的作用以及各功能之間相互關(guān)系。

資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，是根據(jù)需求分析的結(jié)果，為不同的礦山選定不同的監(jiān)測(cè)方式，而后通過(guò)攝影測(cè)量得到礦山儲(chǔ)量報(bào)表。此報(bào)表由無(wú)人機(jī)采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)生成，分成舊標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表與新標(biāo)準(zhǔn)套改報(bào)表兩種形式。舊標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表完全兼容儲(chǔ)能系統(tǒng)報(bào)表格式，新報(bào)表將原有的報(bào)表按照地域形式劃分。報(bào)表分為直接打印預(yù)覽輸出和其它格式輸出兩種。直接打印預(yù)覽輸出格式的報(bào)表數(shù)據(jù)不可更改，其它格式輸出包括Excel格式、Word格式、PDF格式等方便用戶編輯修改。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中儲(chǔ)量計(jì)算與圖形數(shù)據(jù)的可視化結(jié)合管理，以此保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了證實(shí)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可信性與科學(xué)性，在此次研究中通過(guò)對(duì)比測(cè)試的方式，對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

在此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定礦山A作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。采用應(yīng)用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法與未使用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法對(duì)此礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)比兩種監(jiān)測(cè)方法對(duì)于礦山儲(chǔ)量的計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。為有效控制實(shí)驗(yàn)中的變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)定，將其劃分為硬件與軟件兩部分，具體參數(shù)如下。

硬件環(huán)境：硬盤(pán)1T；固態(tài)硬盤(pán)顯卡2G；支持CUDA 1分辨率1366＊768；顯示器：21.5寸；

軟 件 環(huán) 境 ：CPU：i5 4590 3.3G；內(nèi) 存 ：2＊4GB；DDR3 1600。

采用上述參數(shù)，組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)運(yùn)算以及對(duì)比過(guò)程。在此次實(shí)驗(yàn)中，共進(jìn)行2輪實(shí)驗(yàn)周期，每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期對(duì)礦山儲(chǔ)量進(jìn)行10次計(jì)算，對(duì)比無(wú)人機(jī)技術(shù)使用前與使用后的差異。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1 運(yùn)算時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，使用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)后，礦山儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)間明顯下降，且計(jì)算耗時(shí)較為穩(wěn)定。未使用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法，雖然計(jì)算速度耗時(shí)也較短，但時(shí)間波動(dòng)較大，平均分布在20秒～24秒之間。通過(guò)文獻(xiàn)研究可知，計(jì)算耗時(shí)的長(zhǎng)短直接影響計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，且計(jì)算時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)性較大對(duì)于礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)會(huì)造成部分影響。由此可判定，使用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法相較于未使用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)方法對(duì)于礦山儲(chǔ)量的計(jì)算能力更強(qiáng)，在日常使用的過(guò)程中更為有效。

3 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)像幅小、姿態(tài)不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)對(duì)礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件提出了新的要求。因此，研發(fā)穩(wěn)健的攝影控制平臺(tái)成為無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的研究重點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的效率，4k以上像素相機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用。同時(shí)，設(shè)定高精度、高集成的控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在稀少或無(wú)地面控制條件下的無(wú)人機(jī)拍攝，并為日后礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)的研究提供更加便捷的監(jiān)測(cè)方式。