王槐仁

(寧化行洛坑鎢礦有限公司，福建 寧化 365400)

0 引言

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展支柱型產(chǎn)業(yè)之一，礦業(yè)起到基礎(chǔ)性的支撐作用。作為礦山開(kāi)采的基礎(chǔ)條件，測(cè)繪質(zhì)量提升屬于行業(yè)重點(diǎn)探究的一個(gè)課題。無(wú)人機(jī)屬于現(xiàn)階段一種新穎的數(shù)據(jù)采集載體，與傳統(tǒng)人工方式相比，存在著工作質(zhì)量高、效率高、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性高等相關(guān)特點(diǎn)[1]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)將地面的地物、地貌空間具體狀況體現(xiàn)出來(lái)，能夠滿足大比例尺成圖要求，既縮短信息獲取的時(shí)間，又有利于作業(yè)精度與效率的提高，在露天礦山測(cè)繪中發(fā)展前景較好。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)定義

無(wú)人機(jī)測(cè)繪涉及極高的智能化程度，作業(yè)能力強(qiáng)，在適中的飛行高度通過(guò)設(shè)備中搭載的高品質(zhì)分辨相機(jī)系統(tǒng)實(shí)施攝影、數(shù)據(jù)采集工作，通過(guò)自身電子攝像傳感器記錄坐標(biāo)、航速及航高等數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)通過(guò)對(duì)航拍影像全面處理轉(zhuǎn)換，呈現(xiàn)在用戶終端，讓使用人員收集到精確、全面的影像模型及數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)階段，在測(cè)繪領(lǐng)域中，無(wú)人機(jī)所展現(xiàn)出的應(yīng)用價(jià)值和作用十分顯著，有利于全面、真實(shí)反映地理空間數(shù)據(jù)。將無(wú)人機(jī)測(cè)繪運(yùn)用于露天礦山測(cè)繪的過(guò)程中，以踏勘測(cè)區(qū)、布設(shè)像控點(diǎn)、基本控制測(cè)量、航空測(cè)量及影像采集等為外業(yè)主要步驟，圖1呈現(xiàn)了無(wú)人機(jī)航測(cè)的工作流程。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪在露天礦山測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

2.1 操作靈活

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)正在向著自動(dòng)化、信息化的方向發(fā)展，和人工測(cè)繪相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪在成本和效益層面擁有極大優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)設(shè)備在體積方面逐漸減小，方便攜帶和操作，更好的滿足測(cè)繪要求。

2.2 數(shù)據(jù)精度高

受露天礦山環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)高等相關(guān)因素的影響，傳統(tǒng)測(cè)繪難以到達(dá)高陡邊坡、采礦現(xiàn)場(chǎng)等區(qū)域。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的運(yùn)用，可以確保外業(yè)測(cè)繪作業(yè)安全、高效的完成，并且采取低空飛行信息采集和搭載高分辨率攝像機(jī)的方式，可以采集到高精度畫面，促進(jìn)工作效果提升。所以，運(yùn)用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)既能提高數(shù)據(jù)精確性，又可以與計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合，將可視化信息形成，在后續(xù)采礦設(shè)計(jì)、礦山規(guī)劃中發(fā)揮更高的效能。

2.3 應(yīng)急功能強(qiáng)大

就露天礦山測(cè)繪工作而言，涉及較多復(fù)雜的區(qū)域，包含采區(qū)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)等重大危險(xiǎn)源，在實(shí)際測(cè)繪時(shí)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，無(wú)法滿足應(yīng)急管理工作需求[2]。常規(guī)作業(yè)方式受較多現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，若出現(xiàn)應(yīng)急情況，通常難以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行處理，引起不必要的、本可避免的損失出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的運(yùn)用，可以更好的處理應(yīng)急情況，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、可遠(yuǎn)程操控的特點(diǎn)，遭遇突發(fā)情況時(shí)，可以即派即用，為應(yīng)急工作的開(kāi)展起到重要作用。

3 無(wú)人機(jī)露天礦山測(cè)繪的工作概述

3.1 提供礦山生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為確保礦山生產(chǎn)嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)及月度、年度計(jì)劃目標(biāo)施工作業(yè)，需測(cè)繪采場(chǎng)大比例尺地形圖，為工程計(jì)量、監(jiān)控生產(chǎn)、調(diào)節(jié)生產(chǎn)提供必要的數(shù)據(jù)支持，保證礦產(chǎn)資源可以實(shí)現(xiàn)良好的開(kāi)發(fā)與利用，確保安全、有序生產(chǎn)。

3.2 助力綠色礦山建設(shè)

露天礦山主要區(qū)域包括采場(chǎng)永久邊坡、采場(chǎng)廢渣堆棄場(chǎng)、尾礦庫(kù)等，為建設(shè)綠色礦山，修復(fù)生態(tài)環(huán)境，利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)生態(tài)狀況，如土體流失、植被生長(zhǎng)、水位變化等，通過(guò)影像圖清楚直觀反映礦山總體情況，為礦產(chǎn)合理開(kāi)發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮全新的作用。

3.3 助力數(shù)字礦山建設(shè)

礦山資源開(kāi)發(fā)利用的工藝、生產(chǎn)、組織和工程決策，正飛速利用數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)繪提供空間定位技術(shù)，把整個(gè)礦山及周邊范圍內(nèi)的地物、地貌與地下地質(zhì)按照三維坐標(biāo)真實(shí)模擬出來(lái)并有機(jī)結(jié)合，有利于資源高效、有序管理；以測(cè)繪、遙感、地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空間信息技術(shù)為建設(shè)新型數(shù)字化智慧礦山提供可靠、實(shí)時(shí)的技術(shù)支持。

4 無(wú)人機(jī)露天礦山測(cè)繪中的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 航測(cè)外業(yè)

在露天礦山測(cè)繪中運(yùn)用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，需要做好航測(cè)計(jì)劃、設(shè)備檢查、參數(shù)設(shè)置等前置工作；需要明確測(cè)繪任務(wù)涉及到的范圍，明確礦山區(qū)域地形、干擾源分布等相關(guān)狀況；正確制定無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃，準(zhǔn)確操作，并結(jié)合可能會(huì)出現(xiàn)的各類緊急事故，建立相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案[3]。

露天采場(chǎng)跨臺(tái)階作業(yè)其高差常達(dá)數(shù)百米，無(wú)人機(jī)測(cè)繪需要實(shí)施分層飛行設(shè)計(jì)，以達(dá)相應(yīng)地面分辨率；在區(qū)域劃分上，需要保證航測(cè)布設(shè)和飛行路線相同，參考航測(cè)航高設(shè)置，要求分區(qū)地形高差始終不超過(guò)真實(shí)航高的1/6，在確保行線平直的同時(shí)，最大程度上區(qū)分跨度，并覆蓋所需的測(cè)繪區(qū)域。為保證大比例尺地形圖成像精度能夠符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，縮短成像周期，選擇合適的飛行高度，具體可參考GB/T 23236—2009數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范、GB/T 15967—2008《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》。

像控點(diǎn)布設(shè)以符合每架次采集面積及接邊因素作為標(biāo)準(zhǔn)要求，并按照平面位置中誤差不超過(guò)圖上0.15 mm、高程中誤差不超過(guò)1/10基本等高距，通過(guò)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)使用全站儀或RTK進(jìn)行觀測(cè)采集。

4.2 內(nèi)業(yè)三維建模成果輸出

以我公司購(gòu)置的國(guó)產(chǎn)大疆經(jīng)緯M300RTK型無(wú)人機(jī)為例?？蛇\(yùn)用Context Capture(簡(jiǎn)稱：CC(Smart3D))建模軟件達(dá)到空中三角測(cè)量解算的目的，結(jié)合無(wú)人機(jī)具體飛行軌跡與像控點(diǎn)設(shè)置狀況，整理好航測(cè)照片數(shù)據(jù)后，可通過(guò)CC(Smart3D)軟件運(yùn)行：導(dǎo)入(照片、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù))→提交空三運(yùn)算→刺點(diǎn)→重復(fù)空三運(yùn)算(三遍)、刺點(diǎn)(二遍)→檢查→出?！鷶?shù)據(jù)檢查。通過(guò)獲得各種數(shù)據(jù)格式的三維網(wǎng)格模型及DOM或DSM，構(gòu)建傾斜三維模型融入照片便得到實(shí)景三維模型，極大地促進(jìn)采礦作業(yè)精細(xì)化管理。

4.3 調(diào)查露天礦山周邊地質(zhì)狀況

礦山生產(chǎn)建設(shè)會(huì)在一定程度上改變地質(zhì)環(huán)境，引起地表塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。過(guò)去，在開(kāi)展礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的過(guò)程中，通常運(yùn)用人工實(shí)地調(diào)查的方式，通過(guò)航片、衛(wèi)片進(jìn)行輔證，其中，人工實(shí)地調(diào)查存在周期長(zhǎng)、效率低、成本高等不足；航片與衛(wèi)片存在分辨率低、投影偏差等缺陷，無(wú)法滿足時(shí)效性強(qiáng)的項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)崟r(shí)生成正射影像圖，進(jìn)而準(zhǔn)確、生動(dòng)、直觀的調(diào)查礦山周邊地質(zhì)災(zāi)害情況，全面查找安全隱患，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行預(yù)警、消除及改善，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

4.4 露天礦山方量變化及計(jì)算

利用多期無(wú)人機(jī)測(cè)繪生成的DOM或DSM數(shù)據(jù)信息，結(jié)合南方CASS 9.1軟件DTM法對(duì)開(kāi)采方量進(jìn)行計(jì)算，主要原理為：三角網(wǎng)基本單元核心構(gòu)成不規(guī)則三角形三個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由最初三角網(wǎng)中全部三角形三個(gè)頂點(diǎn)沿著豎直的方向，向下將三條直線引出，直至開(kāi)采后的地表面的三角網(wǎng)交匯在一起，如此，便將諸多三棱柱形成，這時(shí)整個(gè)區(qū)域的土石方就是各三菱柱體積之和。和傳統(tǒng)方量計(jì)算方式相比，通過(guò)點(diǎn)間距設(shè)置較真實(shí)的將礦山方量變化展現(xiàn)出來(lái)，準(zhǔn)確計(jì)算開(kāi)采工程量，應(yīng)用于采礦成本核算及礦山儲(chǔ)量變化計(jì)算。

4.5 露天礦山地形圖繪制及精度分析

對(duì)露天礦山地形圖進(jìn)行繪制的過(guò)程中，過(guò)去在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，主要采用的是全野外人工的方式，這種方式效率低、成本高，并且會(huì)受到人為操作的影響及地形條件的限制，導(dǎo)致測(cè)量難度提高，部分地形失真，失真的地形會(huì)對(duì)生產(chǎn)、規(guī)劃設(shè)計(jì)等造成安全隱患，亦或是工作量統(tǒng)計(jì)缺失[4]。

由于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維模型精度較高，符合1∶500大比例尺地形圖測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范要求。測(cè)量范圍則可以在航線設(shè)計(jì)方面迅速地進(jìn)行調(diào)整，覆蓋可控作業(yè)范圍；內(nèi)業(yè)處理可結(jié)合不同軟件，主要為CC(Smart3D)+ArcGis或TerraSolid，CC(Smart3D)+EPS來(lái)完成，通過(guò)軟件平臺(tái)模塊實(shí)時(shí)加載實(shí)景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，利用二三維聯(lián)動(dòng)測(cè)圖一體化模式進(jìn)行采集和更新數(shù)據(jù)；最后通過(guò)內(nèi)外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)及修正編輯處理，進(jìn)而獲取到dwg格式地形圖。精度評(píng)定則通過(guò)X，Y和高程中誤差來(lái)檢測(cè)實(shí)景三維模型和線劃圖的產(chǎn)品質(zhì)量。為檢測(cè)實(shí)際誤差精度，在采場(chǎng)排土場(chǎng)使用大疆經(jīng)緯M300RTK型無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)，航高設(shè)置為100 m,220 m分別作業(yè)，用RTK布設(shè)像控點(diǎn)的同時(shí)，埋設(shè)直角形標(biāo)志的三個(gè)點(diǎn)施測(cè)后作為檢查點(diǎn)，二架次兩者坐標(biāo)對(duì)比如表1所示(數(shù)據(jù)為內(nèi)部1954北京坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn))[5]。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)位中誤差分別是平面位置4.27 cm/5.48 cm、高程2.9 cm/5.3 cm，后次由于分辨率較差影響點(diǎn)位精度，實(shí)際作業(yè)時(shí)通過(guò)提高模型分辨率完全能夠繪制符合精度要求的1∶500地形圖。

4.6 其他方面的運(yùn)用

在礦山行洪能力中，礦山匯水面積是重要指標(biāo)參數(shù)之一，可以借助無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)將礦山各區(qū)塊匯水面積迅速獲得，利用相應(yīng)計(jì)算對(duì)礦山行洪能力進(jìn)行檢核，在露天礦山防洪中所發(fā)揮的作用極為顯著，清查違建。在露天礦山開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，偶爾會(huì)遇到已經(jīng)在展開(kāi)征地賠償?shù)臅r(shí)候，當(dāng)?shù)啬承┚用袢赃M(jìn)行人工設(shè)施修建，進(jìn)行植物搶種、補(bǔ)種等，借助無(wú)人機(jī)在固定的時(shí)間段把相應(yīng)地區(qū)高分辨率正射影像圖生成，第一時(shí)間了解前后變化狀況，同時(shí)采取有效手段解決；通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，可以針對(duì)各個(gè)時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，開(kāi)展建檔工作，為今后的使用提供方便，同時(shí)借助礦山點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以展開(kāi)3D設(shè)計(jì)，確保復(fù)墾設(shè)計(jì)、礦山設(shè)計(jì)使用的全面性以及合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展，而立足于該技術(shù)得以發(fā)展的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，為礦山開(kāi)采工作的高效開(kāi)展提供了極大的幫助，可以有效防止傳統(tǒng)礦山測(cè)繪工作中各種問(wèn)題的出現(xiàn)，促進(jìn)測(cè)繪工作質(zhì)量、效率顯著提升。所以，為了深挖無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的潛質(zhì)，應(yīng)加大對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的推廣力度，特別要加快國(guó)產(chǎn)建模軟件開(kāi)發(fā)利用；同時(shí)結(jié)合測(cè)繪行業(yè)現(xiàn)狀多方位分析，加強(qiáng)技術(shù)人員培訓(xùn)，促進(jìn)無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)水平提高，推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，以堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)助推礦山測(cè)繪工作良好開(kāi)展。