盧艷霞

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

社會的發(fā)展離不開自然環(huán)境提供的生產(chǎn)資料，尤其是礦產(chǎn)資源。對礦產(chǎn)資源的有效利用在某種意義上是人類發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，形形色色的礦產(chǎn)資源被人類開發(fā)利用，提升了經(jīng)濟(jì)也豐富了人們的生活。改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)獲得了飛速的發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的需求也愈發(fā)增大，尤其是對煤炭等能源礦產(chǎn)的需求更是飛速增長。中國是世界第一煤炭生產(chǎn)大國，主要原因與我國的能源礦產(chǎn)儲量現(xiàn)狀有關(guān)，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(chǎn)量占據(jù)世界煤炭產(chǎn)量的35%以上[1]，正是由于這種現(xiàn)狀，所以使得煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是我國煤炭儲量較為豐富的地區(qū)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(dǎo)致了嚴(yán)重的生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題，這些問題一方面嚴(yán)重影響礦區(qū)居民的生活，另一方面也對資源的可持續(xù)利用造成了影響。所以需要對煤礦地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行深入調(diào)查，通過調(diào)查可以為煤礦的地質(zhì)災(zāi)害防治和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供幫助，促進(jìn)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境和諧共生。傳統(tǒng)的煤礦地質(zhì)環(huán)境調(diào)查大多采用人力點式測量以及載人直升機(jī)測量，調(diào)查效率較低并且還有較大的安全風(fēng)險。多旋翼無人機(jī)的出現(xiàn)可以極大地彌補(bǔ)這些缺陷，多旋翼無人機(jī)輕便小巧、機(jī)動靈活，自動化程度較高，可以大大提高測繪效率。

1 無人機(jī)測繪在煤礦地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的重要作用

1.1 無人機(jī)測繪可以獲得更加全面的礦山信息數(shù)據(jù)

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(huán)境會發(fā)生劇烈的變化。如何預(yù)測礦山在開采過程中存在的風(fēng)險變成了重中之重，這就必須要對煤礦周圍的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行快速的檢測，通過檢測了解當(dāng)前煤礦的地形地貌，根據(jù)監(jiān)測情況制定相對應(yīng)的措施來避免風(fēng)險風(fēng)形成。由于煤礦大多在野外，礦區(qū)覆蓋范圍廣，環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)方式采集礦山信息耗資大時間長，而應(yīng)用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行測繪則可以很好地改善[2-4]。多旋翼無人機(jī)投資成本較小，可以采用多架次聯(lián)合測繪的方式，將礦山所在區(qū)域的地質(zhì)條件形成完善的數(shù)據(jù)庫，并且還可以加快更新頻率，這些最新的地質(zhì)數(shù)據(jù)可以為煤礦開采工作提供扎實的支持，煤礦經(jīng)營方可以準(zhǔn)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(jī)測繪中還包含遙感影像，通過無人機(jī)航測傳輸具有較高分辨率的遙感影像，通過建立相關(guān)模型對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解譯，不僅可以了解礦山周圍還可以了解內(nèi)部的地質(zhì)地貌，幫助政府部門和礦山開發(fā)者制定合理的礦山開發(fā)方案[5-6]。全面地了解礦山所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境信息，還可以幫助開采人員調(diào)整開采方案，最大限度地保護(hù)礦山周邊環(huán)境，由于煤礦所在地區(qū)大多處于干旱少雨的環(huán)境，這種氣候環(huán)境下，礦山表面的植被較為脆弱，一旦因為礦山開采不當(dāng)造成大面積的破壞，將會難以修復(fù)。因此，通過旋翼無人機(jī)對礦山的信息進(jìn)行全面及時的測繪，可以有效避免這些情況的發(fā)生。

1.2 無人機(jī)測繪可以預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生

威脅礦山運行安全的因素除了生產(chǎn)中的安全之外就是礦山地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)前煤礦地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面滑坡、水土流失導(dǎo)致的泥石流災(zāi)害以及礦山山體裂縫。無人機(jī)測繪可以將礦山的地質(zhì)信息生成高清晰度高分辨率的三維模型，測繪之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，從而發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害[7]。例如，滑坡是礦山較為常見的地質(zhì)災(zāi)害，礦山人員可以根據(jù)遙感解譯影像中的礦山邊坡形態(tài)、影像色調(diào)、陰影等判斷是否出現(xiàn)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(yù)估滑坡體的規(guī)模，從而制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。工作人員在獲取某地三維測繪激光電云數(shù)據(jù)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(xiàn)裂縫，以及裂縫的寬度長度。同時還可以利用無人機(jī)測繪探究裂縫的產(chǎn)生是否與礦山的開采有關(guān)，裂縫產(chǎn)生之后，通過無人機(jī)測繪將裂縫產(chǎn)生的災(zāi)害區(qū)制作成三維模型，然后將礦山在開采之初的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎn)生是否與煤礦的開采有關(guān)，這種做法可以直觀地將裂縫的范圍、裂縫產(chǎn)生的原因等展現(xiàn)出來，進(jìn)而做出相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

1.3 無人機(jī)測繪可以監(jiān)測礦山環(huán)境

煤礦的開采會造成嚴(yán)重的自然環(huán)境破壞，可以看出煤礦的開采會造成礦山水土流失，進(jìn)而導(dǎo)致沙塵暴等空氣污染、地下水被污染、礦坑坍塌等，對環(huán)境造成破壞。國家為了防止煤礦生產(chǎn)造成環(huán)境的進(jìn)一步破壞，出臺了“智慧礦山”“綠色礦山”等相關(guān)政策[8]。綠色礦山是未來煤礦發(fā)展的方向，而想要建成綠色礦山，低成本的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要，傳統(tǒng)利用人力或載人直升機(jī)的環(huán)境監(jiān)測費時費力，無法做到高頻率的監(jiān)測，而無人機(jī)對煤礦自然環(huán)境的監(jiān)測成本低效率高，減少人員布設(shè)觀測點的時間成本，同時可以針對重點區(qū)域規(guī)劃合理的航線，通過機(jī)上攜帶的高分辨率設(shè)備獲取礦山的影像，通過影像分析進(jìn)而對礦山的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，及時對煤礦開采過程中的地質(zhì)地貌及景觀的破壞程度、礦山內(nèi)環(huán)境污染程度、礦區(qū)地面塌陷程度、山體滑坡、泥石流等進(jìn)行監(jiān)測，及時地發(fā)現(xiàn)環(huán)境破壞情況，并針對性的制定恢復(fù)自然環(huán)境以及礦山復(fù)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(jìn)行開采作業(yè)，另一方面可以使煤礦實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。

2 多旋翼無人機(jī)在煤礦地質(zhì)測繪中的運用流程

無人機(jī)的測繪一般會分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分，其具體流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)測繪運用流程

2.1 外業(yè)作業(yè)流程

（1）外業(yè)作業(yè)注意事項。在使用多旋翼無人機(jī)對煤礦進(jìn)行地質(zhì)測繪的過程中，主要的流程是外業(yè)，而外業(yè)工作流程需要注意兩大問題，分別是：無人機(jī)飛行安全和數(shù)據(jù)采集的正確性問題。

無人機(jī)的飛行安全是外業(yè)作業(yè)中最重要的事項，無人機(jī)的飛行安全需要注意：①作業(yè)人員的安全。由于多旋翼無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)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(nèi)，煤礦礦區(qū)面積較大，所以在作業(yè)過程中需要深入到煤礦的各個地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)設(shè)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(jī)的安全。無人機(jī)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(shè)位置。應(yīng)該在有利地勢架設(shè)地面站，盡量保障數(shù)據(jù)的傳輸順暢。

飛行測繪一定要保證數(shù)據(jù)的正確性。為了確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確方便地獲得[10]。

（2）測繪技術(shù)設(shè)計。在使用多旋翼無人機(jī)測繪之前需要對測繪技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，首先要明確作業(yè)任務(wù)，了解測區(qū)的大致范圍、成圖比例、飛行持續(xù)時間等情況，并且要制定相應(yīng)的飛行計劃及后備計劃。

（3）確定測區(qū)。確定測區(qū)的目的是，確定本次任務(wù)所需要采集的區(qū)域范圍，所需要的成圖分辨率，所需要的產(chǎn)品類別。也就是說本次任務(wù)范圍究竟有多大，要采集的數(shù)據(jù)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(qū)進(jìn)行確定之后，才能夠更好地進(jìn)行后續(xù)的測繪任務(wù)。

（4）航線規(guī)劃。測區(qū)范圍確定之后。就可以根據(jù)所需要的成果類型，成果分辨率進(jìn)行航線規(guī)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(huán)形航線，第四種是條帶航線。一般在使用多旋翼無人機(jī)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(jìn)行重復(fù)測繪效率較高。在對露天煤礦進(jìn)行測繪的時候較常使用環(huán)形航線，為了更好地對煤礦進(jìn)行精細(xì)的三維模型制作，需要盡可能地獲取物體的詳細(xì)紋理，所以必須要進(jìn)行環(huán)形旋轉(zhuǎn)拍攝。

（5）像控點布設(shè)。像控點布設(shè)是測繪數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)點，對于測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確起到了至關(guān)重要的作用，像控點的布設(shè)包含兩方面的工作，設(shè)置像控點和測量像控點坐標(biāo)。像控點布設(shè)應(yīng)該在測區(qū)內(nèi)均勻地分布，不能單獨地設(shè)置在某個區(qū)域或者測區(qū)的某個角落，同時布設(shè)點應(yīng)該在開闊地帶，不應(yīng)在樹林下或者容易被遮擋的地方。

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

2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。在進(jìn)行業(yè)內(nèi)作業(yè)之前需要將旋翼無人機(jī)拍攝的測繪POS數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，還需要整理像控點的坐標(biāo)表，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時間長短是以使用的多旋翼無人機(jī)平臺的不同而不同，如果使用的是大疆無人機(jī)平臺，那么數(shù)據(jù)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(jié)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(zhì)是空中控制測量，也就是根據(jù)重疊度、POS、地面相控點恢復(fù)、反算、平差，最終得到航片在空中的位置和姿態(tài)[11]?？罩腥切斡嬎闶亲钪匾暮筇幚聿襟E，因為航片的數(shù)學(xué)關(guān)系直接影響最終結(jié)果，空中三角形計算便利后續(xù)的測繪建模也會變得方便。

（3）構(gòu)建測繪模型。在空三計算之后，使用專業(yè)的測繪數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)處理生成三維測繪模型，以測區(qū)幾何中心為坐標(biāo)原點，設(shè)立ENU笛卡爾坐標(biāo)系，將模型按照該坐標(biāo)系進(jìn)行輸出，對數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查控制，直到符合項目質(zhì)量要求為止。

3 結(jié)語

隨著煤礦開采程度的加深，開采活動產(chǎn)生的環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重。為了更好地應(yīng)對這些問題，必須要加強(qiáng)對煤礦的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，傳統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查主要依托于人力點測量和載人直升機(jī)測量，調(diào)查效率較低，而無人機(jī)測繪輕便小巧、機(jī)動靈活，自動化程度較高，是未來煤礦地質(zhì)測繪的主要發(fā)展方向。使用多旋翼無人機(jī)對煤礦進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，可以獲得及時全面的煤礦整體信息數(shù)據(jù)，幫助煤礦開發(fā)方制定準(zhǔn)確的開采方案。同時，由于無人機(jī)測繪耗時短效率高，所以可以對煤礦的地質(zhì)狀況進(jìn)行全方位的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害，幫助企業(yè)制定補(bǔ)救措施，保障煤礦開采和礦區(qū)群眾的生命財產(chǎn)安全，并且使用無人機(jī)測繪還有助于減少煤礦開采對自然環(huán)境的破壞，為我國全面建設(shè)綠色礦山貢獻(xiàn)一份力量。