多旋翼無人機測繪在煤礦地質環境調查中的應用

盧艷霞

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

社會的發展離不開自然環境提供的生產資料，尤其是礦產資源。對礦產資源的有效利用在某種意義上是人類發展的物質基礎，形形色色的礦產資源被人類開發利用，提升了經濟也豐富了人們的生活。改革開放以來我國經濟獲得了飛速的發展，對于礦產資源的需求也愈發增大，尤其是對煤炭等能源礦產的需求更是飛速增長。中國是世界第一煤炭生產大國，主要原因與我國的能源礦產儲量現狀有關，我國的能源資源稟賦可以用“富煤貧油少氣”六個字來概括，煤炭的產量占據世界煤炭產量的35%以上[1]，正是由于這種現狀，所以使得煤炭在我國能源結構中占據主導地位。但是我國煤炭儲量較為豐富的地區氣候惡劣、降水稀少、植被稀疏，隨著煤炭開采力度的不斷加大，導致了嚴重的生態破壞和環境污染問題，這些問題一方面嚴重影響礦區居民的生活，另一方面也對資源的可持續利用造成了影響。所以需要對煤礦地質環境進行深入調查，通過調查可以為煤礦的地質災害防治和生態環境修復提供幫助，促進煤炭開采與生態環境和諧共生。傳統的煤礦地質環境調查大多采用人力點式測量以及載人直升機測量，調查效率較低并且還有較大的安全風險。多旋翼無人機的出現可以極大地彌補這些缺陷，多旋翼無人機輕便小巧、機動靈活，自動化程度較高，可以大大提高測繪效率。

1 無人機測繪在煤礦地質環境調查中的重要作用

1.1 無人機測繪可以獲得更加全面的礦山信息數據

我國煤礦的開采主要分為兩種形式，分別是露天煤礦及地下煤礦。不論是哪種形式的煤礦開采，隨著煤礦開采程度的增加，礦山的環境會發生劇烈的變化。如何預測礦山在開采過程中存在的風險變成了重中之重，這就必須要對煤礦周圍的地質環境進行快速的檢測，通過檢測了解當前煤礦的地形地貌，根據監測情況制定相對應的措施來避免風險風形成。由于煤礦大多在野外，礦區覆蓋范圍廣，環境惡劣，傳統方式采集礦山信息耗資大時間長，而應用多旋翼無人機進行測繪則可以很好地改善[2-4]。多旋翼無人機投資成本較小，可以采用多架次聯合測繪的方式，將礦山所在區域的地質條件形成完善的數據庫，并且還可以加快更新頻率，這些最新的地質數據可以為煤礦開采工作提供扎實的支持，煤礦經營方可以準確了解煤礦周圍的確切地形從而做出正確的判斷，同時無人機測繪中還包含遙感影像，通過無人機航測傳輸具有較高分辨率的遙感影像，通過建立相關模型對遙感數據進行分析解譯，不僅可以了解礦山周圍還可以了解內部的地質地貌，幫助政府部門和礦山開發者制定合理的礦山開發方案[5-6]。全面地了解礦山所在地區的地質環境信息，還可以幫助開采人員調整開采方案，最大限度地保護礦山周邊環境，由于煤礦所在地區大多處于干旱少雨的環境，這種氣候環境下，礦山表面的植被較為脆弱，一旦因為礦山開采不當造成大面積的破壞，將會難以修復。因此，通過旋翼無人機對礦山的信息進行全面及時的測繪，可以有效避免這些情況的發生。

1.2 無人機測繪可以預判地質災害的發生

威脅礦山運行安全的因素除了生產中的安全之外就是礦山地質災害，當前煤礦地質災害主要包括地面滑坡、水土流失導致的泥石流災害以及礦山山體裂縫。無人機測繪可以將礦山的地質信息生成高清晰度高分辨率的三維模型，測繪之后對數據進行解譯，從而發現可能發生的潛在地質災害[7]。例如，滑坡是礦山較為常見的地質災害，礦山人員可以根據遙感解譯影像中的礦山邊坡形態、影像色調、陰影等判斷是否出現滑坡，還可以確定滑坡體的邊界，確定這些因素之后判斷滑坡體的長度寬度，預估滑坡體的規模，從而制定相應的應對措施。工作人員在獲取某地三維測繪激光電云數據之后，通過顏色判斷哪些地方滑坡概率較大。通過測繪遙感影響解譯裂縫的時候，主要通過測繪影像的陰影和紋理判斷是否出現裂縫，以及裂縫的寬度長度。同時還可以利用無人機測繪探究裂縫的產生是否與礦山的開采有關，裂縫產生之后，通過無人機測繪將裂縫產生的災害區制作成三維模型，然后將礦山在開采之初的相關數據進行對比，通過軟件模擬疊加，形成全域三維模型，探究裂縫的產生是否與煤礦的開采有關，這種做法可以直觀地將裂縫的范圍、裂縫產生的原因等展現出來，進而做出相應的補救措施。

1.3 無人機測繪可以監測礦山環境

煤礦的開采會造成嚴重的自然環境破壞，可以看出煤礦的開采會造成礦山水土流失，進而導致沙塵暴等空氣污染、地下水被污染、礦坑坍塌等，對環境造成破壞。國家為了防止煤礦生產造成環境的進一步破壞，出臺了“智慧礦山”“綠色礦山”等相關政策[8]。綠色礦山是未來煤礦發展的方向，而想要建成綠色礦山，低成本的礦山地質環境監測至關重要，傳統利用人力或載人直升機的環境監測費時費力，無法做到高頻率的監測，而無人機對煤礦自然環境的監測成本低效率高，減少人員布設觀測點的時間成本，同時可以針對重點區域規劃合理的航線，通過機上攜帶的高分辨率設備獲取礦山的影像，通過影像分析進而對礦山的環境進行準確的評價，及時對煤礦開采過程中的地質地貌及景觀的破壞程度、礦山內環境污染程度、礦區地面塌陷程度、山體滑坡、泥石流等進行監測，及時地發現環境破壞情況，并針對性的制定恢復自然環境以及礦山復墾方案，一方面使煤礦符合國家綠色礦山的要求，可以正常的進行開采作業，另一方面可以使煤礦實現可持續發展，保護當地自然環境。

2 多旋翼無人機在煤礦地質測繪中的運用流程

無人機的測繪一般會分為外業和內業兩部分，其具體流程如圖1所示。

圖1 無人機測繪運用流程

2.1 外業作業流程

（1）外業作業注意事項。在使用多旋翼無人機對煤礦進行地質測繪的過程中，主要的流程是外業，而外業工作流程需要注意兩大問題，分別是：無人機飛行安全和數據采集的正確性問題。

無人機的飛行安全是外業作業中最重要的事項，無人機的飛行安全需要注意：①作業人員的安全。由于多旋翼無人機的機體結構較小，所以無法搭載較大容量的電池，飛行時間一般在30～60 min之內，煤礦礦區面積較大，所以在作業過程中需要深入到煤礦的各個地區進行無人機設備的放飛和回收，在此過程中一定要保證人員的安全[9]。②無人機的安全。無人機在放飛的時候，盡量選擇空曠沒有遮擋物的地方。③地面站架設位置。應該在有利地勢架設地面站，盡量保障數據的傳輸順暢。

飛行測繪一定要保證數據的正確性。為了確保數據的正確，需要提前對煤礦整體的外觀有一個清晰的判斷，并選擇合適的飛行路線，確保飛行數據能夠準確方便地獲得[10]。

（2）測繪技術設計。在使用多旋翼無人機測繪之前需要對測繪技術進行設計，首先要明確作業任務，了解測區的大致范圍、成圖比例、飛行持續時間等情況，并且要制定相應的飛行計劃及后備計劃。

（3）確定測區。確定測區的目的是，確定本次任務所需要采集的區域范圍，所需要的成圖分辨率，所需要的產品類別。也就是說本次任務范圍究竟有多大，要采集的數據最終是需要做模型還是做正射影像，采集的分辨率是多少，比例尺是多少，這些問題必須首先確定。只有對測區進行確定之后，才能夠更好地進行后續的測繪任務。

（4）航線規劃。測區范圍確定之后。就可以根據所需要的成果類型，成果分辨率進行航線規劃。航線類型一般有四種。第一種是蛇形航線，第二種是套耕航線，第三種是環形航線，第四種是條帶航線。一般在使用多旋翼無人機測繪過程中，比較常用的是蛇形航線，蛇形航線不需要對一段路進行重復測繪效率較高。在對露天煤礦進行測繪的時候較常使用環形航線，為了更好地對煤礦進行精細的三維模型制作，需要盡可能地獲取物體的詳細紋理，所以必須要進行環形旋轉拍攝。

（5）像控點布設。像控點布設是測繪數據處理的基準點，對于測繪數據的準確起到了至關重要的作用，像控點的布設包含兩方面的工作，設置像控點和測量像控點坐標。像控點布設應該在測區內均勻地分布，不能單獨地設置在某個區域或者測區的某個角落，同時布設點應該在開闊地帶，不應在樹林下或者容易被遮擋的地方。

（6）飛行作業。在完成上述步驟之后可以進行飛行作業，如果前期工作進行地比較完備，飛行作業將會簡單便捷。雖然多旋翼無人機具有較好的穩定性，但是在飛行作業的時候也盡量選擇風力較小的良好天氣下進行。首先要對多旋翼無人機進行組裝，并將測繪所需儀器進行安裝，安裝完畢之后進行測繪系統地面測試。其次將測繪飛行的各項參數輸入到飛行控制系統中去。隨后將旋翼無人機放飛，并實時監測無人機的飛行狀態及測繪狀態。最后飛行結束之后檢查無人機測繪數據是否完備詳實，并對此次外業所獲取的全部數據進行質量檢查。

2.2 內業作業流程

（1）數據準備。在進行業內作業之前需要將旋翼無人機拍攝的測繪POS數據進行清理，還需要整理像控點的坐標表，以便后續的數據處理，準備數據的時間長短是以使用的多旋翼無人機平臺的不同而不同，如果使用的是大疆無人機平臺，那么數據會被保存到照片的EXIF信息中，使用后處理軟件可以自動讀取，節省了大量的時間。

（2）空中三角形計算。空中三角形計算一般被稱作是空三計算，計算的本質是空中控制測量，也就是根據重疊度、POS、地面相控點恢復、反算、平差，最終得到航片在空中的位置和姿態[11]。空中三角形計算是最重要的后處理步驟，因為航片的數學關系直接影響最終結果，空中三角形計算便利后續的測繪建模也會變得方便。

（3）構建測繪模型。在空三計算之后，使用專業的測繪數據處理軟件對數據處理生成三維測繪模型，以測區幾何中心為坐標原點，設立ENU笛卡爾坐標系，將模型按照該坐標系進行輸出，對數據生產過程中的重要環節進行檢查控制，直到符合項目質量要求為止。

3 結語

隨著煤礦開采程度的加深，開采活動產生的環境問題越發嚴重。為了更好地應對這些問題，必須要加強對煤礦的地質環境調查，傳統的地質環境調查主要依托于人力點測量和載人直升機測量，調查效率較低，而無人機測繪輕便小巧、機動靈活，自動化程度較高，是未來煤礦地質測繪的主要發展方向。使用多旋翼無人機對煤礦進行地質環境調查，可以獲得及時全面的煤礦整體信息數據，幫助煤礦開發方制定準確的開采方案。同時，由于無人機測繪耗時短效率高，所以可以對煤礦的地質狀況進行全方位的監測，及時發現潛在的地質災害，幫助企業制定補救措施，保障煤礦開采和礦區群眾的生命財產安全，并且使用無人機測繪還有助于減少煤礦開采對自然環境的破壞，為我國全面建設綠色礦山貢獻一份力量。