復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用研究

張玉珍

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

我國(guó)地理位置優(yōu)越且幅員遼闊，具有豐盛的土地和礦山等資源。這些資源是我國(guó)發(fā)展的基本經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。其中，礦山資源在歷史多年的沉淀和積累中成為了一種較為具有價(jià)值的重要非再生資源[1]。這些資源有的處于地層淺處，有的深埋于地層深處，這些資源所處的地理位置多數(shù)人跡罕至，且勘探和測(cè)繪的難度較大。近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷深入發(fā)展，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在人類(lèi)的控制下可以抵達(dá)人類(lèi)難以抵達(dá)的位置，特別是對(duì)復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境中的資源的測(cè)繪。無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷被更新和改變，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到地質(zhì)測(cè)量中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。為此相關(guān)研究者將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到其中得到了很多成果。文獻(xiàn)[4]提出一種將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在露天礦山測(cè)繪中。在該方法的研究中首先確定了對(duì)其露天開(kāi)采測(cè)量的幫助，對(duì)其進(jìn)行有效的測(cè)量可以幫助其提升開(kāi)采效率。通過(guò)對(duì)某固定地點(diǎn)的研究，借助無(wú)人機(jī)拍攝露天礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維點(diǎn)云建模，完成了露天礦產(chǎn)資源的可視化開(kāi)采。該方法中無(wú)人機(jī)起到了關(guān)鍵采集數(shù)據(jù)的技術(shù)，對(duì)礦山的情況了解較為清晰。上述兩種方法中雖然都是借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行采集礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，且采集后均得到了一定成果，但在實(shí)際應(yīng)用中適用范圍不是很廣泛，且獲取的數(shù)據(jù)仍然需要后天的核對(duì)和校對(duì)，避免得到數(shù)據(jù)誤差較大，影響礦山資源后期的開(kāi)采。

1 復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用

1.1 復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下測(cè)繪主要內(nèi)容分析

復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下礦山資源的開(kāi)采需要對(duì)其基本的數(shù)據(jù)存量、現(xiàn)場(chǎng)如何施工等。因此，在擦、開(kāi)采前需要將開(kāi)采的每個(gè)階段進(jìn)行大量的測(cè)繪工作。將其中測(cè)繪工作內(nèi)容歸納為以下幾點(diǎn)：①?gòu)?fù)雜地質(zhì)環(huán)境下建立測(cè)繪控制網(wǎng)。采用常規(guī)的測(cè)繪儀器，如經(jīng)緯儀、全站儀等，將其應(yīng)用在礦山測(cè)繪中。②復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中開(kāi)采前的地形圖以及、多類(lèi)別的規(guī)劃開(kāi)采圖紙。③開(kāi)采前的礦山測(cè)量圖片，該圖像中應(yīng)包括所有開(kāi)采環(huán)境以及周邊環(huán)境地貌。④其他需要交接和準(zhǔn)備的測(cè)繪工作等。

1.2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)特點(diǎn)分析

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下礦山資源的順利開(kāi)采，本文將無(wú)人機(jī)技術(shù)引入其中。首先對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。無(wú)人機(jī)中遙感技術(shù)是其具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。其在多個(gè)測(cè)量領(lǐng)域具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

①測(cè)繪效率極高。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)測(cè)量的速度較快，目前為止是一種具有時(shí)效性的測(cè)繪技術(shù)。在此過(guò)程中，借助無(wú)人機(jī)的控制，在工作過(guò)程中不斷獲取礦山數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)在測(cè)繪過(guò)程中可以抵御惡劣的環(huán)境影響，可以快速得到相關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)。②測(cè)繪的成本較低。通過(guò)無(wú)人機(jī)獲得的測(cè)繪數(shù)據(jù)時(shí)可以重復(fù)此過(guò)程，與其他衛(wèi)星測(cè)繪相比，節(jié)約了大量的測(cè)繪成本。無(wú)人機(jī)可以隨時(shí)隨地起飛和降落，可以重復(fù)使用，節(jié)約成本。③測(cè)繪數(shù)據(jù)精度較高。無(wú)人機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中，其飛行的高度較高，不受環(huán)境的干擾，其獲取的目標(biāo)分辨率較高，細(xì)節(jié)較為清晰。通過(guò)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，提升了礦山環(huán)境的開(kāi)采精度。

1.3 無(wú)人機(jī)攝影獲取復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下礦山數(shù)據(jù)測(cè)繪技術(shù)路線設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)是通過(guò)無(wú)線遙控設(shè)置對(duì)程序的有效控制，進(jìn)而得到礦山環(huán)境的相關(guān)測(cè)繪數(shù)據(jù)。其中，無(wú)人機(jī)借助遙感等設(shè)備獲取復(fù)雜環(huán)境下礦山的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前，常用的無(wú)人機(jī)攜帶傳感器獲取數(shù)據(jù)的模式，如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)攜帶傳感器應(yīng)用模式

在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)礦山地質(zhì)測(cè)繪中，搭建多臺(tái)影像傳感器的飛行平臺(tái)，對(duì)需要采集的礦山數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直和多角度的數(shù)據(jù)獲取。其中，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下地質(zhì)表面紋理進(jìn)行獲取，然后采用三維建模的方式，完成測(cè)繪數(shù)據(jù)的建模。在本文研究的技術(shù)路線設(shè)計(jì)之下，展開(kāi)詳細(xì)的復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)研究。

1.4 無(wú)人機(jī)攝影獲取復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下礦山數(shù)據(jù)測(cè)繪實(shí)現(xiàn)

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下礦山數(shù)據(jù)測(cè)繪中，設(shè)置的無(wú)人機(jī)攝影系統(tǒng)中包括：飛行控制系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)飛行支持系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)和影像后期處理系統(tǒng)。

（1）飛行控制系統(tǒng)：為無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪實(shí)現(xiàn)的核心關(guān)鍵組成部分。該系統(tǒng)支持無(wú)人機(jī)空中飛行，以及飛行角度等的有效調(diào)整等。

（2）地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)：該系統(tǒng)是指將無(wú)人機(jī)反饋過(guò)來(lái)的大量復(fù)雜礦山環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整理的系統(tǒng)，以便于后期的采集。

（3）無(wú)人機(jī)飛行支持系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要為無(wú)人機(jī)飛行中支持其快速飛行的系統(tǒng)。主要是指電磁的支撐能力。

根據(jù)上述復(fù)雜環(huán)境下礦山環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)繪的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集[10]，其采集流程如圖1所示：

圖1 無(wú)人機(jī)采集礦山數(shù)據(jù)流程圖

2 復(fù)雜礦山地質(zhì)環(huán)境下無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用效果分析

應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。在上述無(wú)人機(jī)礦山數(shù)據(jù)測(cè)繪中，為了驗(yàn)證所方法的有效性，將其應(yīng)用到某個(gè)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的礦山資源區(qū)域，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)繪研究。該研究的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的礦山資源區(qū)域處于我國(guó)某山區(qū)地區(qū)，這里人類(lèi)生存足跡較少，面積較大，主要以高山區(qū)為主，人均耕地面積也相對(duì)較少。為了實(shí)現(xiàn)本文方法采用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以有效對(duì)其測(cè)繪，將選取該地區(qū)面積為10平方米的區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)繪實(shí)現(xiàn)的主要研究區(qū)域，采集的實(shí)驗(yàn)圖如圖2所示。

圖2 樣本礦山地質(zhì)遙感圖像

在本文礦山測(cè)繪應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)搭載遙感系統(tǒng)對(duì)礦山地質(zhì)圖像進(jìn)行采集，為了保證應(yīng)用效果的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了100次的迭代，每一次跌代后的應(yīng)用結(jié)果可以保證其精度。為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性，實(shí)驗(yàn)對(duì)比本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法應(yīng)用無(wú)人機(jī)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。得到的應(yīng)用結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法無(wú)人機(jī)測(cè)繪精度對(duì)比

分析圖3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下采用三種方法對(duì)樣本區(qū)域復(fù)雜的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪的精度不同。當(dāng)?shù)螖?shù)為40次時(shí)，本文方法對(duì)樣本區(qū)域復(fù)雜的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪的精度約為92%，文獻(xiàn)[4]方法對(duì)樣本區(qū)域復(fù)雜的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪的精度約為79%；當(dāng)?shù)螖?shù)為100次時(shí)，本文方法對(duì)樣本區(qū)域復(fù)雜的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪的精度約為94%，本文方法采用無(wú)人機(jī)測(cè)繪的精度更高，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

綜上所述，將無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜環(huán)境礦山資源的測(cè)量中使可行的，通過(guò)其便攜性、靈活性以及低成本的特點(diǎn)，將該技術(shù)應(yīng)用于此為以后的開(kāi)采事業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于我國(guó)礦山資源分布的地理位置存在一定復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)人工方法是無(wú)法直接獲取更為有利的數(shù)據(jù)的。因此，本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，可以采集到不同條件下的礦山資源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)設(shè)定礦山資源開(kāi)采的各個(gè)階段，并根據(jù)階段特點(diǎn)的確定實(shí)現(xiàn)有效的礦山資源開(kāi)采，有效提升礦山資源開(kāi)采的效率以及開(kāi)采的精度，為我國(guó)礦山資源的開(kāi)采提供更為有利的條件。