張兵兵，許龍星，周 敏，張 璞，王 菲

(宏大爆破工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510623)

0 引 言

無人機(jī)航測技術(shù)為非接觸式的測繪方式，其特點(diǎn)為覆蓋面積大，可實(shí)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)高程點(diǎn)的全覆蓋，數(shù)據(jù)的完整性較好，精度可滿足比例尺為1∶2 000～1∶500的地形圖要求[1-2]，相比于傳統(tǒng)的RTK、全站儀等有顯著優(yōu)勢，目前已應(yīng)用在露天礦山的諸多方面[3]。在露天礦山管理過程中，有效獲取露天礦山儲量及特定區(qū)域的工程量大小，是保證礦山采剝平衡及合理安排施工進(jìn)度的基礎(chǔ)，同時也是工程量結(jié)算的依據(jù)。在工程量估算及核算等方面，許多專家學(xué)者進(jìn)行了研究。許志華等[4]基于運(yùn)動恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SFM)和多目立體視覺(PMVS)算法，提出了一種基于無人機(jī)影像序列的露天礦工程量計(jì)算方法，通過兩期點(diǎn)云匹配分析，認(rèn)為相對誤差小于±1%，堆放體積變化監(jiān)測精度接近92%；王果等[5]通過無人機(jī)成功獲取礦區(qū)傾斜影像，構(gòu)建出不規(guī)則三角格網(wǎng)和紋理映射，重建了露天礦三維模型，實(shí)現(xiàn)了露天礦工程量的快速低成本計(jì)算；高利敏等[6]基于八旋翼無人機(jī)，通過低空傾斜攝影，利用Virtual Surveyor軟件進(jìn)行兩期工程方量計(jì)算，為工程管理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和有力的技術(shù)保障；張中雷等[7]將無人機(jī)應(yīng)用在露天礦山的工程計(jì)量、采場布局等方面，構(gòu)建了基于無人機(jī)航測技術(shù)的生產(chǎn)調(diào)度指揮體系，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好；張兵兵等[8]將無人機(jī)用在露天采場精細(xì)化管理中，提高了采場的安全監(jiān)管與高效開采水平。

綜上所述，無人機(jī)航測在復(fù)雜地形測繪應(yīng)用中優(yōu)勢明顯，對工程量計(jì)算的準(zhǔn)確度已得到了廣泛認(rèn)可。但大多針對單一類型區(qū)域，在多類型相鄰的復(fù)雜礦石堆場方面研究較少，故本文的研究具有一定的實(shí)際意義。

1 工程概況及難點(diǎn)分析

大寶山露天礦為多金屬礦山，富含鐵、銅-硫、鉛-鋅等多種礦石，建成了330萬t/a的銅-硫選廠，因此需要保證銅-硫礦石的采場供應(yīng)量滿足選廠消耗量且有部分富余。由于采場礦石品位不斷變化，因此高品位與低品位礦石的綜合利用對于選廠礦石供應(yīng)十分重要，保證均衡化配礦指標(biāo)，既不過多消耗高品位礦石，也防止礦石品位不達(dá)標(biāo)。為此，在銅礦堆場附近設(shè)置了低品位礦石堆場及350萬t堆場，三者的綜合利用是確保選廠正常且高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。在相鄰區(qū)域內(nèi)形成3個不同品位的礦石堆場，構(gòu)成了多類型相鄰的復(fù)雜礦石堆場，而礦石堆場的前期堆置高度均較高，單純依靠人工測量，耗時較長，勞動強(qiáng)度大，且堆場邊坡存在許多難以測量到的點(diǎn)位，完整性較差，人工測量的準(zhǔn)確性難以保證，因此需要一種更加有效的測量手段。

基于現(xiàn)有的測量技術(shù)手段，本文采用了低空無人機(jī)航測技術(shù)，為非接觸式測繪技術(shù)，具有耗時短、人工勞動強(qiáng)度低、操作簡單方便等優(yōu)勢，可通過設(shè)置飛行航線與數(shù)據(jù)后期加工處理快速獲取礦石堆場的地形信息，數(shù)據(jù)的完整性得以保證。同時可通過兩期或多期航測地形對比分析，及時獲取一定時期內(nèi)礦石儲量的變化情況，進(jìn)而做好采場供配礦的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2 無人機(jī)航測作業(yè)的規(guī)劃與實(shí)施

本文所采用的大疆精靈4RTK小型四旋翼無人機(jī)，其搭載高清單鏡頭2 000萬像素相機(jī)，具備手動航拍與自主航線測量雙重功能，可實(shí)現(xiàn)正射航測、傾斜攝影方案的制定與實(shí)施，低空航測的精度為厘米級，滿足礦山航測的實(shí)際需求。

2.1 航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)

采用人工現(xiàn)場勘查與無人機(jī)航拍監(jiān)察相結(jié)合的方式，綜合確認(rèn)相鄰礦石堆場的航測范圍，利用正射鏡頭模式下的無人機(jī)航拍測量周邊山體的最大海拔高度，將航測相對高度定為100 m，確保航測作業(yè)的安全可靠。在此基礎(chǔ)上，采用3向井字形航線規(guī)劃功能，制定小范圍的傾斜攝影測量路線，涵蓋3個礦石堆場、銅-硫選廠等建構(gòu)筑物的地形地貌信息，航線規(guī)劃如圖1所示。同時，為了保證航測影像連接點(diǎn)的平差結(jié)構(gòu)及相鄰影像間的緊密聯(lián)系程度，航向和旁向重疊率設(shè)置為80%，令高重疊度模式下的數(shù)據(jù)可靠性得以提升。

根據(jù)現(xiàn)場勘查的實(shí)際地形，結(jié)合像控點(diǎn)布置方式需滿足平面及高程控制的雙重要求，確定了相應(yīng)的布置方式[9]，在礦石堆場上方及下方、左側(cè)與右側(cè)各布置了1個像控點(diǎn)，在建構(gòu)筑物周邊布置了2個檢查點(diǎn)。

圖1 礦石堆場井字形航線規(guī)劃

選擇晴天且風(fēng)速較小的天氣，將350萬t堆場的空曠場地作為起飛降落位置，實(shí)施相對航高為100 m的低空無人機(jī)航測。 2020年6月18日進(jìn)行了第一次航測，耗時50 min左右，航測面積為0.1 km2左右，得到了804張高清自帶POS數(shù)據(jù)的影像照片。2020年8月3日進(jìn)行了第二次航測，與第一次航測的路線、像控點(diǎn)布置等保持一致，得到了810張高清自帶POS數(shù)據(jù)的影像照片。

2.2 航測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理

本文采用Context Capture軟件對航測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，其具有操作步驟簡單、數(shù)據(jù)處理快、精度較高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)航測數(shù)據(jù)成果生成與分析方面[10]。通過高清自帶POS數(shù)據(jù)影像的自動匹配、像控點(diǎn)的刺點(diǎn)、空三解算、模型重建等步驟，成功得到兩期礦石堆場對應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)。

2.2.1 誤差分析

由于兩次航測的基本條件一致，本文將第一次航測的數(shù)據(jù)用于誤差分析，判斷是否滿足航測地形的實(shí)際需求。在三維模型中，像控點(diǎn)清晰可見(圖2)；在生成三維模型的質(zhì)量報(bào)告中，可以及時獲取各種誤差信息，有助于做出綜合判斷。三維模型全局中值誤差僅為0.4 mm，分辨率較高，X方向、Y方向、Z方向的誤差值均較??；4個像控點(diǎn)射線距離均方根在0.2～0.5 mm之間，整體誤差較小。

圖2 像控點(diǎn)對比

同時，對比分析了特定點(diǎn)的誤差值，即4個像控點(diǎn)與2個檢查點(diǎn)(表1)?？梢缘玫?00 m相對航高下模型X方向和Y方向最大誤差分別為14.05 cm和8.40 cm，中誤差為2.59 cm，均滿足比例尺為1∶500的地圖成圖要求(平面位置精度≤0.150 m，中誤差≤0.175 m)。

2.2.2 兩期三維模型

采用Context Capture軟件在完成影像匹配與空三解算等步驟后，重建得到礦石堆場兩期三維模型，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，影像的連接性較好，匹配程度較高，基本無拉花與扭曲現(xiàn)象，真實(shí)還原了礦石堆場的實(shí)際地形地貌。

表1 航測精度誤差表

圖3 第一次航測三維模型

圖4 第二次航測三維模型

3 兩期礦石工程量對比

為了更好地分析三維模型數(shù)據(jù)信息，采用IData軟件，其具有兼容性強(qiáng)、快速準(zhǔn)確、三維向二維轉(zhuǎn)化等優(yōu)勢。通過圈定礦石堆場的邊界線，可直接生成所在區(qū)域的高程點(diǎn)信息，進(jìn)而計(jì)算剩余儲量大小。結(jié)合兩期的礦石高程點(diǎn)信息變化，進(jìn)而獲取一定時期內(nèi)儲量變化情況，如圖5所示。

圖5 礦石堆場儲量計(jì)算

為了驗(yàn)證低空無人機(jī)航測在工程量結(jié)算方面的誤差率，進(jìn)行了相應(yīng)的誤差分析。本文以露天采場配礦量和堆場供礦量的統(tǒng)計(jì)值作為真實(shí)值，即第一次至第二次航測期間的真實(shí)統(tǒng)計(jì)值，配礦量為574 386.4 t，供礦量為499 127.9 t，計(jì)算出礦石堆場在時間段內(nèi)的差值V真實(shí)為22 805.6 m3(礦石比重為3.3 t/m3)，由于礦石挖裝后堆積為松散體，因此松散系數(shù)按1.3計(jì)算。

經(jīng)過IData軟件生成的高程點(diǎn)信息，計(jì)算得到航測的相對變化值，其中第一期是相對于原始礦石堆場地形；第二期是相對于兩期航測期間的地形變化，計(jì)算的儲量值見表2。兩期航測期間的儲量變化值ΔV=28 817.2 m3，進(jìn)而計(jì)算出相對誤差率Δ=1-(ΔV/1.3)/V真實(shí)=2.8%，表明無人機(jī)航測在計(jì)算礦石儲量方面的相對誤差較小，具有一定的可行性。

表2 礦量變化統(tǒng)計(jì)表

通過各個堆場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高。銅-硫礦石堆場的配礦量與供礦量差值為39 253.4 m3，這與采場采礦力度持續(xù)加大有關(guān)，富余量較大，有效地保證了選廠的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。而649低品位堆場在兩次航測期間基本無變化，與真實(shí)情況相符，采場的局部低品位排放至該堆場，暫時處于備用狀態(tài)，未進(jìn)行施工作業(yè)。350萬t堆場挖方量為10 977.5 m3，這與2020年7月30日至2020年8月3日的堆場道路改道情況有關(guān)，計(jì)算的挖方量與實(shí)際道路挖方量相符。通過以上分析可知，低空無人機(jī)航測技術(shù)在計(jì)算多類型鄰近礦石堆場儲量具備一定的可行性，且計(jì)算精度較高。

4 結(jié) 論

1) 本文采用低空無人機(jī)航測技術(shù)，設(shè)置了相對航高為100 m的三向井字形航線規(guī)劃及像控點(diǎn)布置方式，進(jìn)行了兩期航測，通過Context Capture軟件的解算，得到了兩期三維模型數(shù)據(jù)。

2) 通過分析航測得到的三維模型中像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的誤差情況得到X方向和Y方向最大誤差分別為14.05 cm和8.40 cm，中誤差為2.59 cm，精度較高，均滿足比例尺為1∶500的地形圖的要求，故滿足應(yīng)用在礦石堆場儲量計(jì)算方面的精度要求。

3) 利用兩期三維模型數(shù)據(jù)及IData軟件的高程點(diǎn)輸出功能，得到了兩期航測期間的礦石堆場儲量變化情況，相對誤差率僅為2.8%，測量值與實(shí)際情況相符，并對各堆場進(jìn)行了詳細(xì)的分析。由此表明，低空無人傾斜攝影測量技術(shù)在礦石堆場儲量計(jì)算方面具備一定可行性，可應(yīng)用于露天采場配礦與供礦規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，有利于實(shí)現(xiàn)供配礦工作的精細(xì)化管理。