無人機技術在我國大型露天礦的應用及發(fā)展

陳 浩，孫健東，陳 需，許 晨，周 宇，王 韜，林鈺淇，劉 鑫

（1.準能集團 黑岱溝露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.華北科技學院 安全學院，北京 101601；3.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

隨著信息技術的發(fā)展，無人機技術在軍事、氣象、航空等領域獲得了成功的應用。針對露天礦生產(chǎn)作業(yè)范圍大、空間位置變化快、設備和人員在開放空間重復性持續(xù)性作業(yè)勞動的特點，在地質測繪、生產(chǎn)施工監(jiān)控、管理調度、安全監(jiān)管等環(huán)境引入無人機技術，可更加直觀、快速、安全地獲取礦山生產(chǎn)中的動態(tài)信息甚至替代人執(zhí)行特殊作業(yè)，無疑成為礦山減人提效的重要途徑。

在分析無人機技術的基礎上，對應用案例進行歸納與分類，結合露天礦山生產(chǎn)中各方面的實際需求，從技術可行、經(jīng)濟合理、安全可靠、合法合規(guī)等方面，系統(tǒng)地討論露天礦山生產(chǎn)中可行的應用場景，并提出未來研究及應用中應重點考慮的問題。

1 無人機系統(tǒng)及技術

1.1 無人機系統(tǒng)

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用自備的程序和無線電遙控設備控制裝置操縱的不載人飛機，由無人機機體、發(fā)射回收系統(tǒng)、機載信息傳輸系統(tǒng)、飛行平臺系統(tǒng)、地面信息傳輸系統(tǒng)、任務載荷系統(tǒng)組成[1]。無人機系統(tǒng)組成示意圖如圖1。無人機負載數(shù)字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術進行影像傳輸和處理，實現(xiàn)對地理信息的調查與監(jiān)測。無人機的誕生可以追溯到1914 年，當時主要應用于軍事領域，用數(shù)十年的時間完成了由軍用轉向民用、由大型化轉向小型化的過程[2]。

圖1 無人機系統(tǒng)組成示意圖

按照飛行器的飛行原理及結構，無人機一般可分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機、無人飛艇、無人傘翼機等。固定翼與多旋翼形式的無人機是當前的主流飛行平臺，在續(xù)航時間、飛行高度、負載能力及操作距離等性能參數(shù)方面固定翼優(yōu)于多旋翼，而在精準懸停和靈活程度等性能方面多旋翼又高于固定翼。

考慮到固定翼無人機航時長，飛行高度高，適合進行露天礦大面積的數(shù)據(jù)采集。而多旋翼無人機則更加靈活，并且可以精準懸停，適合露天礦小面積的數(shù)據(jù)采集。

1.2 無人機測繪技術

無人機僅作為一個飛行平臺，通過搭載不同的任務吊艙進而實現(xiàn)任務的執(zhí)行。以無人機測繪為例，目前應用最為廣泛的是利用非量測型數(shù)碼相機獲取地形地貌信息，輔以外業(yè)的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過內業(yè)的數(shù)據(jù)處理后，形成“4D”產(chǎn)品和實景三維模型，為露天礦的剝離量計算等提供依據(jù)，無人機測繪作業(yè)流程示意圖如圖2。

1.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)方面數(shù)據(jù)采集的方式主要包括垂直攝影測量和傾斜攝影測量兩類，在搭載相機數(shù)量、獲取地面信息質量和數(shù)量等能力方面傾斜攝影測量較好，但是相應的數(shù)據(jù)處理速度較弱。

圖2 無人機測繪作業(yè)流程示意圖

無人機垂直攝影測量通常采用飛行平臺搭載單鏡頭相機，獲取地面影像，單架次僅能獲取下視視角的影像[3]。無人機傾斜攝影測量在垂直攝影測量的基礎上，增加了傾斜角度的鏡頭，一般從5 個角度來獲取地物影像。

無人機垂直攝影測量生成相關地型產(chǎn)品的效率更高，適用于大面積測繪工作，如露天礦大范圍的測量驗收；由于增加了地物的紋理，無人機傾斜攝影測量的產(chǎn)品更能真實反映露天礦地物樣貌，可清晰直觀的展現(xiàn)出采場狀態(tài)，產(chǎn)品效果遠優(yōu)于比正射的點云模型，適合進行小面積測繪工作。

傾斜攝影已成為當下攝影測量領域的一個新的研究熱點，國家測繪地理信息局也已經(jīng)把傾斜攝影作為一項新的技術手段進行推廣[4]。但受限于硬件成本，近年來單鏡頭傾斜影像采集技術逐步替代多鏡頭傾斜影像采集技術，很多學者也已經(jīng)驗證了該技術的可行性，并且單鏡頭在視角靈活角度、續(xù)航影響拍攝性能及畫質方面取得極大突破[5]。

考慮到單鏡頭傾斜影像采集技術本質上是通過多架次飛行、多角度調整來替代多鏡頭傾斜影像采集技術，因此效率較低，適合在露天礦小面積區(qū)域作業(yè)，例如排土場局部邊坡三維模型的構建。

1.2.2 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

當前內業(yè)數(shù)據(jù)處理主要基于計算機視覺原理，利用二維影像構建三維模型[6]。無人機傾斜攝影測量建立三維模型的關鍵技術主要包括多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配等關鍵內容。

目前，普遍使用的多視影像聯(lián)合平差方法是根據(jù)SIFT 特征提取算法對影像進行特征提取，建立連接點和連接線、像控點坐標以及POS 數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合平差計算，得到每張像片的外方位元素以及所有加密點的物方坐標[7]。

雖然SIFT 算法能夠精確地提取出影像中的特征點，但其匹配結果不夠密集，而多視影像密集匹配可以利用影像中的大量冗余信息解決影像匹配中存在的匹配錯誤問題，最大程度地解決遮擋問題，匹配結果相對密集，所以多視影像密集匹配是獲得建筑物三維空間信息的關鍵環(huán)節(jié)。

首先采用多視影像空中三角測量獲取精確的影像外方位元素，結合CMVS（Cluster Multi-view Stereo）方法對影像采取聚簇分類，目的是減少數(shù)據(jù)量。聚簇以后再由PMVS（Patch-based Multi-view Stereo）方法通過初始特征匹配、膨脹、過濾3 個步驟對同一物體不同角度的多幅圖像完成密集匹配，獲取密集的三維點云[8]。

內業(yè)數(shù)據(jù)處理主流的自動化軟件有Context Capture、Photo Scan、Pix 4D Mapper 等[8]，但后兩者無論在軟件體系、輸出格式、精細化程度及后期處理等性能方面都優(yōu)于前者。

1.3 無人機技術主要應用案例

無人機技術已經(jīng)成為成熟的技術，當前主要應用案例見表1。

表1 當前無人機成熟部分應用案例

2 無人機技術在露天礦應用場景分析

2.1 露天開采設備的安全巡檢

露天礦大型設備種類、數(shù)量較多，設備能否正常作業(yè)直接決定了露天礦的原煤產(chǎn)量，所以為了保障大型設備正常工作，對設備進行定期的安全巡檢是露天開采的重要任務。傳統(tǒng)大型設備的安全巡檢方式一般為人工徒步巡檢，不僅費時耗力，工作效率低，勞動強度大，而且目視檢查難以覆蓋設備的所有部位，很難全面發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，致使一些本應發(fā)現(xiàn)的事故隱患未能及時發(fā)現(xiàn)[9]。

引入無人機巡檢技術，可以有效地克服上述問題。提前制定巡檢路線，對于在采場作業(yè)的大型設備應重點巡檢，在巡檢過程中，通過無人機搭載的紅外熱成像相機，在無人機巡檢過程中可以有效的識別大型設備的溫度異常、流體介質泄漏、火災煙霧等隱患；通過搭載傾斜攝影相機構建采場實景三維模型，清晰直觀的展現(xiàn)設備作業(yè)情況，做好隱患排查的部署工作，極大限度的保障人和設備的安全工作。

2.2 露天礦工程測繪

露天礦生產(chǎn)就是大型土石方移運工程，隨時準確測定采場、排土場各個工作面的空間位置、計算工程量是露天礦日常技術管理的主要內容之一。

無人機因其較高的靈活性、高效性可以替代現(xiàn)場人員進行特種作業(yè)，保障測繪人員的安全、完整地獲取數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)計劃提供可靠的依據(jù)。例如傳統(tǒng)的測量驗收方式存在理想關鍵點采集難、采集數(shù)據(jù)工作效率低、安全系數(shù)低、呈現(xiàn)效果不理想等不足，應用無人機測繪技術進行測量驗收可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量驗收方式，中煤平朔集團已經(jīng)應用無人機技術進行剝離量驗收，并且無人機采集的數(shù)據(jù)較為精確。

隨著科技的不斷發(fā)展，露天礦測量智能化建設的步伐不斷加快，傳統(tǒng)的測繪方式已不能滿足現(xiàn)場需要，而無人機搭載傾斜攝影測量設備和三維激光掃描設備可以實現(xiàn)測量工作的少人作業(yè)，初步實現(xiàn)露天礦測量智能化，露天礦測量智能化如圖3。

圖3 露天礦測量智能化

2.3 露天開采邊坡工程動態(tài)監(jiān)測及控制

伴隨露天采礦深度和邊坡角度的不斷增大，邊坡的穩(wěn)定性問題會給礦山的安全生產(chǎn)帶來隱患，容易發(fā)生人員傷亡等生產(chǎn)事故[10]。考慮到露天礦邊坡幾何形狀由于自然條件以及采礦工藝的影響具有復雜性，傳統(tǒng)的測繪方式難以進行全面描述，目前露天礦山普遍應用三維激光掃描技術進行邊坡滑坡監(jiān)測。但是，由于受掃描速率和掃描距離等因素限制且價格昂貴，該技術在特大型邊坡地質災害監(jiān)測領域應用有限[11]。鑒于上述問題，采用無人機測繪技術，為露天礦邊坡滑坡動態(tài)監(jiān)測、災害分析、預測提供可靠的三維模型數(shù)據(jù)支持[12]。

利用無人機測繪技術獲得的露天礦邊坡影像，建立數(shù)字高程模型（DEM），研究邊坡滑坡地質災害，通過結合傳統(tǒng)的FLAC3D等數(shù)值模擬軟件進行露天礦邊坡的穩(wěn)定性分析計算[13]；對于發(fā)生滑坡災害，可以完成滑坡災害的定量評估，為露天開采軟巖邊坡的控制及監(jiān)測提供詳實的基礎空間數(shù)據(jù)。

2.4 露天開采生產(chǎn)調度管理智能化

隨著智能化露天礦的不斷發(fā)展，其建設要求以模型進行精細化的生產(chǎn)管理，而傳統(tǒng)的露天礦模型更新周期長、包含信息少，一般只能做概率性的生產(chǎn)計劃，時效性差，達不到智能化建設的需求。露天開采是露天采場三維地理空間信息在時間維度上動態(tài)變更的過程，決定了露天礦智能化生產(chǎn)管理必須具備2 個特征——“三維的”和“時間動態(tài)的”。調度應用無人機技術可以較好的解決上述問題，以時間維為主線，將若干利用無人機測繪技術建立的礦山三維模型及其演變所形成的模型序列納入時間維度下管理，形成可供量測和空間分析的動態(tài)三維時空數(shù)據(jù)庫，進一步形成可進行可視化操作的時空演化模型。在露天礦進行生產(chǎn)時，利用無人機獲取生產(chǎn)一線的信息，準確掌握現(xiàn)場的作業(yè)進度、環(huán)節(jié)接續(xù)關系以及設備的運行狀態(tài)，為決策層提供及時準確的決策依據(jù)，大幅提高工作效率，能更好的滿足露天礦各部門生產(chǎn)管理的需要，為精細化生產(chǎn)管理鋪墊堅實基礎；在露天礦閉坑后，可作為歷史的載體，形成露天礦的時空檔案館。

2.5 露天開采生態(tài)修復與復墾技術

礦區(qū)土地復墾是我國礦區(qū)生態(tài)修復的必然選擇，也是緩解人地矛盾、恢復生態(tài)環(huán)境的重要舉措[14]。傳統(tǒng)的生態(tài)修復一般都是依賴衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取土壤、植被、水體等環(huán)境信息，但露天礦生態(tài)極為脆弱、部分區(qū)域處于動態(tài)變化之中，傳統(tǒng)的生態(tài)修復方式存在影像數(shù)據(jù)不精確、更新不及時等問題，所以礦區(qū)生態(tài)修復工作將會非常艱難。

近年來無人機技術的快速發(fā)展，具有高效、便捷等優(yōu)點，可以快速地獲取露天礦生態(tài)修復地區(qū)的影像數(shù)據(jù)，較好的彌補傳統(tǒng)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的精度不高、更新不及時等不足。礦區(qū)生態(tài)修復主要分為前期的修復規(guī)劃和方案編制，中期的修復工程的方案實施和工程驗收等，及后期的修復效果評價和監(jiān)測[15]。礦區(qū)生態(tài)修復前期通過無人機遙感獲取待修復地區(qū)影像數(shù)據(jù)，建立三維模型和正射影像圖（DOM），進行未修復礦區(qū)的細分類，計算相應的區(qū)域面積以及地形的坡度等，制定前期的修復規(guī)劃；在中期的修復工程中，可以利用建立的三維模型實時計算需要回填的土方量，并且可用于礦區(qū)的修復工程管理上；后期將礦區(qū)修復前后的數(shù)據(jù)進行對比分析，進行生態(tài)重建效果評價，對于礦區(qū)復墾的植被進行定期的監(jiān)測與保護。

3 無人機技術在露天礦應用存在的問題

1）氣象條件。露天礦大都處于山區(qū)，氣候多變，無人機野外作業(yè)易受溫度、雨雪、風暴、雷電等氣候的影響。例如中煤平朔露天礦地處山西朔州，從四月起露天礦常刮大風、經(jīng)常降雨，這對每個月的驗收工作造成一定的影響。再如白音華露天礦地處內蒙古西烏旗、華能伊敏露天礦地處呼倫貝爾，冬季都十分寒冷，常刮大風，都會影響無人機野外作業(yè)。

2）續(xù)航時間及安全風險。無人機實時飛行時，影響無人機航程和續(xù)航時間的因素較多，如無人機幾何形狀、無人機自重、有效載荷、飛行速度、無人機控制規(guī)律、無人機導航方式等，都對無人機的航程和續(xù)航時間有較大的影響，也就是說，無人機的航程和續(xù)航時間不是定量[16]。在無人機實際飛行時，如果能夠實時估算無人機的航程和續(xù)航時間，將有利于無人機飛行任務制定、航線設計、有效利用留空時間等，從而提高無人機的有效利用率。

3）法規(guī)政策。隨著我國近年來對無人機監(jiān)管力度加大，國家也相繼出臺了一些法律法規(guī)，多方面、多角度地對無人機進行監(jiān)管。例如國能寶日希勒露天礦附近有海拉爾機場，雖然在限飛區(qū)之外，但在使用輕型無人機進行外業(yè)飛行時，根據(jù)《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》條例規(guī)定，在不申請空域情況下，這種輕型無人機能夠飛行的最大相對航高為120 m，如果想要進行更大航高的飛行時，必須要向當?shù)乜哲娚暾埧沼颍绎w行員必須要考取國家認可的飛行員證[17]。

4）布設像控點及刺像控點。雖然通過無人機技術得到的點云三維模型的精度達到了要求，效率比傳統(tǒng)測繪方式提高了很多，但是外業(yè)布設像控點及內業(yè)刺像控點還是相對耗費時間。例如在中煤平朔東露天礦進行外業(yè)采集12 km2的正射影像數(shù)據(jù)，計劃布設20 個像控點，2 組人員同步進行布設（每組10 個），用了近3 h；內業(yè)應用PIX4D 軟件建立點云三維模型，刺像控點需要近1 h，如果采用無人機傾斜攝影測量，內業(yè)刺像控點的時間會更久。針對此問題，如果外業(yè)采集可以免像控，內業(yè)不需要刺像控點，將會大大提高工作效率，也是未來無人機測繪技術發(fā)展的趨勢。

4 結語

無人機技術作為一種全新的、全方位的感知技術，已經(jīng)在我國大型露天礦逐步應用起來。無人機技術在大型露天礦的應用是跨學科、跨領域的交叉應用研究，將無人機技術應用在其它領域獲得的成熟經(jīng)驗借鑒到露天礦山生產(chǎn)之中，可以輔助露天礦山實現(xiàn)綠色、安全、高效的發(fā)展目標；無人機測繪技術可以高效、精確地構建露天礦山地表三維模型，憑借其獨特的優(yōu)勢，可以替代露天礦山傳統(tǒng)的地質測繪方式；雖然無人機技術的快速發(fā)展為露天礦山帶來了福音，但也要充分認識到無人機技術在露天礦的應用過程中也會存在問題，我國露天礦山的氣候條件較為惡劣，這將會成為限制該技術在露天礦山推廣與應用的主要因素；未來無人機技術在露天礦山的應用過程中，應與其它高新技術結合起來，推動我國大型露天礦不斷地向少人化、智能化方向發(fā)展。