陳 浩，孫健東，陳 需，許 晨，周 宇，王 韜，林鈺淇，劉 鑫

（1.準(zhǔn)能集團(tuán) 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.華北科技學(xué)院 安全學(xué)院，北京 101601；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在軍事、氣象、航空等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。針對(duì)露天礦生產(chǎn)作業(yè)范圍大、空間位置變化快、設(shè)備和人員在開放空間重復(fù)性持續(xù)性作業(yè)勞動(dòng)的特點(diǎn)，在地質(zhì)測(cè)繪、生產(chǎn)施工監(jiān)控、管理調(diào)度、安全監(jiān)管等環(huán)境引入無人機(jī)技術(shù)，可更加直觀、快速、安全地獲取礦山生產(chǎn)中的動(dòng)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(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用案例進(jìn)行歸納與分類，結(jié)合露天礦山生產(chǎn)中各方面的實(shí)際需求，從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)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(yīng)用場景，并提出未來研究及應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

1 無人機(jī)系統(tǒng)及技術(shù)

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是利用自備的程序和無線電遙控設(shè)備控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，由無人機(jī)機(jī)體、發(fā)射回收系統(tǒng)、機(jī)載信息傳輸系統(tǒng)、飛行平臺(tái)系統(tǒng)、地面信息傳輸系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)組成[1]。無人機(jī)系統(tǒng)組成示意圖如圖1。無人機(jī)負(fù)載數(shù)字遙感設(shè)備進(jìn)行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行影像傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的調(diào)查與監(jiān)測(cè)。無人機(jī)的誕生可以追溯到1914 年，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用數(shù)十年的時(shí)間完成了由軍用轉(zhuǎn)向民用、由大型化轉(zhuǎn)向小型化的過程[2]。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

按照飛行器的飛行原理及結(jié)構(gòu)，無人機(jī)一般可分為固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、無人飛艇、無人傘翼機(jī)等。固定翼與多旋翼形式的無人機(jī)是當(dāng)前的主流飛行平臺(tái)，在續(xù)航時(shí)間、飛行高度、負(fù)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(zhǔn)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(jī)航時(shí)長，飛行高度高，適合進(jìn)行露天礦大面積的數(shù)據(jù)采集。而多旋翼無人機(jī)則更加靈活，并且可以精準(zhǔn)懸停，適合露天礦小面積的數(shù)據(jù)采集。

1.2 無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)

無人機(jī)僅作為一個(gè)飛行平臺(tái)，通過搭載不同的任務(wù)吊艙進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的執(zhí)行。以無人機(jī)測(cè)繪為例，目前應(yīng)用最為廣泛的是利用非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)獲取地形地貌信息，輔以外業(yè)的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理后，形成“4D”產(chǎn)品和實(shí)景三維模型，為露天礦的剝離量計(jì)算等提供依據(jù)，無人機(jī)測(cè)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(cè)量和傾斜攝影測(cè)量兩類，在搭載相機(jī)數(shù)量、獲取地面信息質(zhì)量和數(shù)量等能力方面傾斜攝影測(cè)量較好，但是相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理速度較弱。

圖2 無人機(jī)測(cè)繪作業(yè)流程示意圖

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

無人機(jī)垂直攝影測(cè)量生成相關(guān)地型產(chǎn)品的效率更高，適用于大面積測(cè)繪工作，如露天礦大范圍的測(cè)量驗(yàn)收；由于增加了地物的紋理，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的產(chǎn)品更能真實(shí)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(yuǎn)優(yōu)于比正射的點(diǎn)云模型，適合進(jìn)行小面積測(cè)繪工作。

傾斜攝影已成為當(dāng)下攝影測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，國家測(cè)繪地理信息局也已經(jīng)把傾斜攝影作為一項(xiàng)新的技術(shù)手段進(jìn)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(shù)逐步替代多鏡頭傾斜影像采集技術(shù)，很多學(xué)者也已經(jīng)驗(yàn)證了該技術(shù)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(zhì)方面取得極大突破[5]。

考慮到單鏡頭傾斜影像采集技術(shù)本質(zhì)上是通過多架次飛行、多角度調(diào)整來替代多鏡頭傾斜影像采集技術(shù)，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(gòu)建。

1.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要基于計(jì)算機(jī)視覺原理，利用二維影像構(gòu)建三維模型[6]。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建立三維模型的關(guān)鍵技術(shù)主要包括多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配等關(guān)鍵內(nèi)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(duì)影像進(jìn)行特征提取，建立連接點(diǎn)和連接線、像控點(diǎn)坐標(biāo)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(jì)算，得到每張像片的外方位元素以及所有加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)[7]。

雖然SIFT 算法能夠精確地提取出影像中的特征點(diǎn)，但其匹配結(jié)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(cuò)誤問題，最大程度地解決遮擋問題，匹配結(jié)果相對(duì)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

首先采用多視影像空中三角測(cè)量獲取精確的影像外方位元素，結(jié)合CMVS（Cluster Multi-view Stereo）方法對(duì)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(gè)步驟對(duì)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(diǎn)云[8]。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主流的自動(dòng)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(xì)化程度及后期處理等性能方面都優(yōu)于前者。

1.3 無人機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用案例

無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為成熟的技術(shù)，當(dāng)前主要應(yīng)用案例見表1。

表1 當(dāng)前無人機(jī)成熟部分應(yīng)用案例

2 無人機(jī)技術(shù)在露天礦應(yīng)用場景分析

2.1 露天開采設(shè)備的安全巡檢

露天礦大型設(shè)備種類、數(shù)量較多，設(shè)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(shè)備正常工作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的安全巡檢是露天開采的重要任務(wù)。傳統(tǒng)大型設(shè)備的安全巡檢方式一般為人工徒步巡檢，不僅費(fèi)時(shí)耗力，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且目視檢查難以覆蓋設(shè)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(yīng)發(fā)現(xiàn)的事故隱患未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)[9]。

引入無人機(jī)巡檢技術(shù)，可以有效地克服上述問題。提前制定巡檢路線，對(duì)于在采場作業(yè)的大型設(shè)備應(yīng)重點(diǎn)巡檢，在巡檢過程中，通過無人機(jī)搭載的紅外熱成像相機(jī)，在無人機(jī)巡檢過程中可以有效的識(shí)別大型設(shè)備的溫度異常、流體介質(zhì)泄漏、火災(zāi)煙霧等隱患；通過搭載傾斜攝影相機(jī)構(gòu)建采場實(shí)景三維模型，清晰直觀的展現(xiàn)設(shè)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(shè)備的安全工作。

2.2 露天礦工程測(cè)繪

露天礦生產(chǎn)就是大型土石方移運(yùn)工程，隨時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定采場、排土場各個(gè)工作面的空間位置、計(jì)算工程量是露天礦日常技術(shù)管理的主要內(nèi)容之一。

無人機(jī)因其較高的靈活性、高效性可以替代現(xiàn)場人員進(jìn)行特種作業(yè)，保障測(cè)繪人員的安全、完整地獲取數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)計(jì)劃提供可靠的依據(jù)。例如傳統(tǒng)的測(cè)量驗(yàn)收方式存在理想關(guān)鍵點(diǎn)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(yīng)用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量驗(yàn)收方式，中煤平朔集團(tuán)已經(jīng)應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行剝離量驗(yàn)收，并且無人機(jī)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(cè)量智能化建設(shè)的步伐不斷加快，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式已不能滿足現(xiàn)場需要，而無人機(jī)搭載傾斜攝影測(cè)量設(shè)備和三維激光掃描設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作的少人作業(yè)，初步實(shí)現(xiàn)露天礦測(cè)量智能化，露天礦測(cè)量智能化如圖3。

圖3 露天礦測(cè)量智能化

2.3 露天開采邊坡工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(huì)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]?？紤]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(fù)雜性，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式難以進(jìn)行全面描述，目前露天礦山普遍應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行邊坡滑坡監(jiān)測(cè)。但是，由于受掃描速率和掃描距離等因素限制且價(jià)格昂貴，該技術(shù)在特大型邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用有限[11]。鑒于上述問題，采用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，為露天礦邊坡滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害分析、預(yù)測(cè)提供可靠的三維模型數(shù)據(jù)支持[12]。

利用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)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(zhì)災(zāi)害，通過結(jié)合傳統(tǒng)的FLAC3D等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行露天礦邊坡的穩(wěn)定性分析計(jì)算[13]；對(duì)于發(fā)生滑坡災(zāi)害，可以完成滑坡災(zāi)害的定量評(píng)估，為露天開采軟巖邊坡的控制及監(jiān)測(cè)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

2.4 露天開采生產(chǎn)調(diào)度管理智能化

隨著智能化露天礦的不斷發(fā)展，其建設(shè)要求以模型進(jìn)行精細(xì)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(jì)劃，時(shí)效性差，達(dá)不到智能化建設(shè)的需求。露天開采是露天采場三維地理空間信息在時(shí)間維度上動(dòng)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(gè)特征——“三維的”和“時(shí)間動(dòng)態(tài)的”。調(diào)度應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)可以較好的解決上述問題，以時(shí)間維為主線，將若干利用無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)建立的礦山三維模型及其演變所形成的模型序列納入時(shí)間維度下管理，形成可供量測(cè)和空間分析的動(dòng)態(tài)三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步形成可進(jìn)行可視化操作的時(shí)空演化模型。在露天礦進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，利用無人機(jī)獲取生產(chǎn)一線的信息，準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場的作業(yè)進(jìn)度、環(huán)節(jié)接續(xù)關(guān)系以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為決策層提供及時(shí)準(zhǔn)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(xì)化生產(chǎn)管理鋪墊堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；在露天礦閉坑后，可作為歷史的載體，形成露天礦的時(shí)空檔案館。

2.5 露天開采生態(tài)修復(fù)與復(fù)墾技術(shù)

礦區(qū)土地復(fù)墾是我國礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的必然選擇，也是緩解人地矛盾、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的重要舉措[14]。傳統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)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(dòng)態(tài)變化之中，傳統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)方式存在影像數(shù)據(jù)不精確、更新不及時(shí)等問題，所以礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作將會(huì)非常艱難。

近年來無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，具有高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)，可以快速地獲取露天礦生態(tài)修復(fù)地區(qū)的影像數(shù)據(jù)，較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的精度不高、更新不及時(shí)等不足。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)主要分為前期的修復(fù)規(guī)劃和方案編制，中期的修復(fù)工程的方案實(shí)施和工程驗(yàn)收等，及后期的修復(fù)效果評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)[15]。礦區(qū)生態(tài)修復(fù)前期通過無人機(jī)遙感獲取待修復(fù)地區(qū)影像數(shù)據(jù)，建立三維模型和正射影像圖（DOM），進(jìn)行未修復(fù)礦區(qū)的細(xì)分類，計(jì)算相應(yīng)的區(qū)域面積以及地形的坡度等，制定前期的修復(fù)規(guī)劃；在中期的修復(fù)工程中，可以利用建立的三維模型實(shí)時(shí)計(jì)算需要回填的土方量，并且可用于礦區(qū)的修復(fù)工程管理上；后期將礦區(qū)修復(fù)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行生態(tài)重建效果評(píng)價(jià)，對(duì)于礦區(qū)復(fù)墾的植被進(jìn)行定期的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

3 無人機(jī)技術(shù)在露天礦應(yīng)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(jī)野外作業(yè)易受溫度、雨雪、風(fēng)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(fēng)、經(jīng)常降雨，這對(duì)每個(gè)月的驗(yàn)收工作造成一定的影響。再如白音華露天礦地處內(nèi)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(fēng)，都會(huì)影響無人機(jī)野外作業(yè)。

2）續(xù)航時(shí)間及安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行時(shí)，影響無人機(jī)航程和續(xù)航時(shí)間的因素較多，如無人機(jī)幾何形狀、無人機(jī)自重、有效載荷、飛行速度、無人機(jī)控制規(guī)律、無人機(jī)導(dǎo)航方式等，都對(duì)無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間有較大的影響，也就是說，無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間不是定量[16]。在無人機(jī)實(shí)際飛行時(shí)，如果能夠?qū)崟r(shí)估算無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間，將有利于無人機(jī)飛行任務(wù)制定、航線設(shè)計(jì)、有效利用留空時(shí)間等，從而提高無人機(jī)的有效利用率。

3）法規(guī)政策。隨著我國近年來對(duì)無人機(jī)監(jiān)管力度加大，國家也相繼出臺(tái)了一些法律法規(guī)，多方面、多角度地對(duì)無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)管。例如國能寶日希勒露天礦附近有海拉爾機(jī)場，雖然在限飛區(qū)之外，但在使用輕型無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)飛行時(shí)，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(qǐng)空域情況下，這種輕型無人機(jī)能夠飛行的最大相對(duì)航高為120 m，如果想要進(jìn)行更大航高的飛行時(shí)，必須要向當(dāng)?shù)乜哲娚暾?qǐng)空域，而且飛行員必須要考取國家認(rèn)可的飛行員證[17]。

4）布設(shè)像控點(diǎn)及刺像控點(diǎn)。雖然通過無人機(jī)技術(shù)得到的點(diǎn)云三維模型的精度達(dá)到了要求，效率比傳統(tǒng)測(cè)繪方式提高了很多，但是外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)及內(nèi)業(yè)刺像控點(diǎn)還是相對(duì)耗費(fèi)時(shí)間。例如在中煤平朔東露天礦進(jìn)行外業(yè)采集12 km2的正射影像數(shù)據(jù)，計(jì)劃布設(shè)20 個(gè)像控點(diǎn)，2 組人員同步進(jìn)行布設(shè)（每組10 個(gè)），用了近3 h；內(nèi)業(yè)應(yīng)用PIX4D 軟件建立點(diǎn)云三維模型，刺像控點(diǎn)需要近1 h，如果采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，內(nèi)業(yè)刺像控點(diǎn)的時(shí)間會(huì)更久。針對(duì)此問題，如果外業(yè)采集可以免像控，內(nèi)業(yè)不需要刺像控點(diǎn)，將會(huì)大大提高工作效率，也是未來無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

4 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)作為一種全新的、全方位的感知技術(shù)，已經(jīng)在我國大型露天礦逐步應(yīng)用起來。無人機(jī)技術(shù)在大型露天礦的應(yīng)用是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的交叉應(yīng)用研究，將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在其它領(lǐng)域獲得的成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒到露天礦山生產(chǎn)之中，可以輔助露天礦山實(shí)現(xiàn)綠色、安全、高效的發(fā)展目標(biāo)；無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)可以高效、精確地構(gòu)建露天礦山地表三維模型，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以替代露天礦山傳統(tǒng)的地質(zhì)測(cè)繪方式；雖然無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為露天礦山帶來了福音，但也要充分認(rèn)識(shí)到無人機(jī)技術(shù)在露天礦的應(yīng)用過程中也會(huì)存在問題，我國露天礦山的氣候條件較為惡劣，這將會(huì)成為限制該技術(shù)在露天礦山推廣與應(yīng)用的主要因素；未來無人機(jī)技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用過程中，應(yīng)與其它高新技術(shù)結(jié)合起來，推動(dòng)我國大型露天礦不斷地向少人化、智能化方向發(fā)展。