无人机航摄技术在露天矿山监测中的应用价值探讨

(1重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室 重庆 渝北 401120；2重庆理工大学 重庆 巴南 400054)

1 无人机航摄技术综述

近年来，无人机航摄技术在很多行业都得到了广发的运用。尤其是影响分表率较高、运营成本较低、且高效灵活的轻小型无人机更是得到了各行各业的青睐。在农业估产、地理信息测绘、森林火警监控、环保监测等方面，无人机航摄技术都发挥着不可体态的作用。

无人机航摄系统与传统的数据采集方法相比，不仅成本更为低廉，工作效率也有了显著的提高。无人机航摄技术能够以最快的速度获取所需信息，并满足了当下各行各业对信息化的需求。据此，无人机航摄技术与测绘工作的关系越来越密不可分，已然成为了我国测绘行业首要选择的工具之一。

1.1无人机的发展现状。1917年，无人机诞生。最初通过控制计算机系统或无线电遥控装置来实现无人机不载人的飞行目标，进行军事监视活动是无人机早期的使用目的。随着科技的不断发展，各个类型的传感器都有了长足的发展。无人机的使用范围也由原先的军事领域扩大到各行各业。无人机的功能以及其监测范围也得到了极大程度的扩充。

美国、南非等其他国家都非常重视无人机的研制和生产及应用。美国在发展无人机计划的同时，也考虑民用和商用的可能性，如环境监控、毒品侦察、测绘等。

中国的无人机研制从20世纪五十年代开始。其中我国“长空一号”靶机是较为成功的无人机研制案例。作为一家大型喷气式无线电遥控高亚音速飞机，“长空一号”的成功研制，开创了我国无人机生产研究的先河。并且在此基础上，“长空一号”被改装为核试验取样机，并在1977年成功完成一次核试验穿云取样任务。

在我国，高空、高速、中远程、长航时、大载荷等类型的无人机主要应用于军事领域，主要由航空集团、航天集团以及院校研制与生产，国内主要有北航、南航、某些研究所等单位研制。

目前民间应用正在逐步渗透，航空遥感、灾情监报、矿藏勘探、数字中国建设等都需要大批量地使用无人机。根据专家预计，今后10年内民用无人机市场的销售额可达10亿美元。无论是军用还是民用，无人机都将朝着模块化、标准化、多样化和系列化的趋势发展，其应用范围广泛，前景喜人。

同时民用无人机在航测领域的应用还可以作为卫星遥感手段的补充。卫星影像成为中小比例尺遥感监测和制图的主要数据源，甚至成为1：1万地形图和专题图制图与更新的重要数据源。但由于受到卫星临空周期、气候和供给渠道的制约，用户订购高分辨率卫星数据在覆盖度、时效性以及分辨率方面受到较大影响，

1.2无人机系的统构成。通常情况下，无人机系统主要包括双向链无线电数据传输系统、无线电遥控设备、无人机平台、地面站监视软件系统。

目前较为常用的无人机主流操作模式有弹射起飞模式与手控滑行模式。无人机在升空之后自动进入驾驶模式。航拍任务结束之后，无人机自动回到出发点，并由无人机操作人员进行手动着陆。

1.3无人机航摄系统主要优势。

(1)拍摄条件。无人机航摄系统与卫星遥感技术相比，能抵抗6级风并可以在云下进行拍摄于飞行。在小雨环境下，无人机仍能保持良好的运行状态并采集相应的监测数据。可见，无人机航摄技术对天气的要求相对卫星遥感技术来说更低，同时也能及时获取勘查信息。无人机与传统航拍技术相比，起飞降落限值较小、操作难度较低等都是优点。

(2)航拍精度。 无人机航拍的分辨率可以达到50mm～400mm，相比其他拍摄技术来说，其精度更高。无人机航拍成图比例尺一般为1：500～1：5000之间。其精度与成图比例尺可以有效满足矿山测量的实际需要。同时，无人机所得到的航拍数据可以为矿山矿界变更等项目的推进与研究提供有力的技术支撑。

(3)拍摄成本。目前无人机航摄系统的成本主要维持在几十万元至几百万元的范围之间。目前最先进的无人机的引进价格能够达到上千万元。一般来说，无人机航拍服务费能够达到几百元或数千元每平方千米。但在不同区域，无人机航拍的服务费也略有不同。与传统航拍等方式相比，无人机航摄技术仍有成本优势。

(4)拍摄能力。在理想的地理条件和环境状态下，一架较为普通的无人机可以在二十四小时内获得面积小于或等于110平方千米的航拍数据。这种规模的航拍数据已经能够充分满足大部分项目对于航拍数据的实际需求。另外，无人机航摄技术还能为矿山监测项目提供数据补充的作用。

2 露天矿山工程快速测量方法

2.1影响测量的主要因素及误差来源。

(1)影响测量的主要因素。在露天矿山工程开展过程中，其采剥量和施工区域都处于扩大和变化的过程中。并且随着矿山采剥调节的推进与循环，采用上下尾随式的作业方式，并且其施工点多，施工面也广。矿山开采工作中涉及穿孔爆破、矿石的铲装运输等工序，各个工序涉及的设备种类众多。矿区的地质构造往往十分复杂，矿石的品位随着采矿块段的变化也发生着巨大的变化。也会存在十分严重的矿废交替的情况。这些因素都会导致矿山监测数据出现误差。

(2)误差来源。

①控制点误差。1：1000是传统露天矿山控制网所爱用的大比例地形测图精度。控制点分布由导线点、交会点。10″小三角点由高到底构成。这种方法具有扩展级数多的特点，这就导致了传统方法的累计误差打，并且其用作工程控制带你的精度也不会很高。

②现场测量过程中的误差。在现场测量过程中，矿山往往处于开采过程中。而施工现场往往存在频繁的较差作业，并有许多工种共同作业。大量的爆破工种和铲挖量导致工作平台发生较大变化。相应的测量标志也很容易受到影响或破坏。为了减小矿山生产过程中对测量产生的影响，测量人员不得不不断补充扩展测量控制点，在这个过程中，现场作业行为就对测量精度产生一定影响。测点方式不到位、手持棱镜杆后视都会导致精度的偏差。车辆、电钻等生产设备运行时产生的机械振动、水平角误差、垂直角观察误差等都影响着现场测量过程中的误差。

2.2现行露天矿山快速测量的基本条件与原理。

(1)基本条件。现行的露天矿山施工快速测量方法要求运用现有的测量设备，并在保证测量精度的前提上，选择符合矿山开采施工要求的测量方法。同时也要保证测量精度的合理性与测量工作的效率。

在开始测量之前，要满足一下条件：

测量的起算边距与测区的距离应该较近，并且所选的控制区域的面积应该较为适中，大部分的矿山外围轮廓应该保证基本成型。视野通视条件好、稳定性好使在测量之前矿区周围应该具有的特点。

(2)基本原理。

①测绘者应该充分利用矿山有利的地形条件，让测量设备的准确性得到充分的体现。矿山周围布设的基本控制点应该具有较高的精度。基本控制点一般作为测设控制点或施工放样。

②在充分分析测量条件的情况下，最大程度低降低现场作业环境对测量产生的影响。从而保证尽量在精度较高的控制点上进行测量工作。特殊情况下应选用精度较高的设备补充控制点。

③收外界因素影响较小的地段或矿区周边应该作为补充控制点或导线点布设首先考虑的地点。

2.3传统及现行监测方法综述。无论选择何种矿山监测方法，全站仪和GPS一体化测量方法都是测量基础。目前这两种测量方式及设备已经普及到各个测量领域。但是在特殊的情况或地区下，全站仪可以配合RTK来完成测量工作。

但是这些方法由于地形的限制，很容易出现因地形复杂而导致测量盲区的产生。测量的周期较长、难度较大，人力物力投入较大也是传统测量方式的短板。

在使用传统方法对矿区进行测量的过程中，需要在施工区域内设置较多控制点，同时需要在不同的控制点上设置测量站。外界因素对测量结果的影响很大。快速测量方法虽然可以再通视条件较好的地方所设置的高精度控制点进行测设，但是其对于环境仍有一定要求。在有风、下雨等环境都会影响设备的运行，从而影响测量的精度。

3 无人机航摄在矿山测绘中的应用研究

3.1无人机航摄的方法与流程。现代化测绘手段有效加强了数字矿山的建设。而通过无人机航摄所采集到的矿区地理数据与图形图像，对简历矿山数字化模型有着明显的作用。同时也为矿山的生产管理提供了详尽有效的数据资料，同时也对矿山资源的综合保护作用起着推动作用。本文以DOM数字正射影像图快速生产与DLG数字线画图为例，阐述了无人机在矿区测绘时的运用，具体如下：

(1)航摄像空点布设与数据采集。根据相应测量外业规范要求，采用RTK差分定位的形式布设航摄像空点，然后采集高程三位数据和像控点平面数据。

(2)低空航摄与航线设计。操作者可以将谷歌影响作为底图，并设定调查区域的角点坐标。然后根据航向等要求进行航线的布设。实际工程中为了保证三都重叠，经常会在调查区域横纵方向较差布设航线。在无人机运行航摄过程中，除了严格按照航线飞行，还要时刻关注电池电量，保证无人机的正常运行。

(3)影像编辑、建模与外业调绘。无人机所采集的影像数据应该及时导入内业例题测图软件中。通过软件完成影响的拼接建模和自动匹配，并快速形成三维模型。在软件中，可以根据影像资料和事先布置的控制点的外业数据，完成外定向与影响配准。

(4)DOM、DEM数据处理。得到无人机采集的数据后，可以根据专业的软件将初始的数据转换为相应的DEM数字高程模型，并能够保证数字划线图数据与其精度相匹配。

4 无人机在露天矿山监测中的技术特点

4.1数据获取周期较短。卫星及其他常规的航空遥感技术，在环境等客观因素的制约下，都很难及时获取调查区域的遥感数据。由于卫星是有规律地在空气中的既定轨道运行，所以卫星获取的遥感数据具有周期性。并且受云层和大气层的影响很大。而在办理好空域飞行申请后才能开展常规航空遥感工作，其数据采集工作受到空军的影响很大。空域飞行申请的申请与办理往往要耗费一个月以上的时间。这在很大程度上就影响了数据的时效性，同时也影响了数据采集的效率。而无人机本身飞行的高度较低，不涉及空域申请等审批程序。只要通过相应注册即可进行飞行监测工作。所以，只要气象条件良好，就能够开展无人机航摄工作进行数据的采集，这样就能保证数据的连续性和及时性。

4.2数据分辨率较高。无人机的飞行高度一般处于1000米以下的低空内。无人机本身配备的传感器往往属于高分辨率的传感器，其获取影响的分辨率往往能够达到厘米级。这样精度的数据能够满足各种比例尺测量监测需要的工作。传统的监测手段很难等达到这样的精度。

4.3经济效益较好。无人机本身运营成本较低，且操作十分简单。相比传统监测方式来说，无人机的技术手段的性价比十分优越。由于无人机航摄较高的经济效益，从而具备了很大的推广价值。

4.4无人机航摄在矿山开采监测与矿产资源保护上的应用。矿山在正常开采过程中很难避免对周围环境的不利影响。所以对于铁矿、煤炭等具有较高经济利用价值的非可再生资源来说，加强矿山开采利用中的执法监督，严禁过渡开采、违法开采等行为，可以有效避免自然环境和生态资源的破坏与损害。

但是由于很多矿山所在区域都远离城区或居住区，对其开展监督检查等执法工作具有一定难度。为了保证矿山开采监测的有效进行以及对矿产资源的有效保护，必须借助现代的信息技术手段来完善传统的矿山监管监督体系。而将无人机航摄技术投入到如今的露天矿山监测工作中，工作的效率得到了有效的提高。无人机航摄采集到的矿产资料可以实时上传到政府部门，这些图片及动态影像数据为国家加强矿产资源管理工作提供了详细有效的参考资料。

目前很多无人机都配备了多光谱传感器。这种传感器可以对隐蔽矿区、矿山植被覆盖部分获取短期内的定量质量。这些信息对安排科学有效的矿区开发及保护治理工作计划提供了必要的信息数据。

矿山信息化管理的有效手段就是数字矿山建设。而矿山基础信息数据是建设数字矿山的基础。其中地形图件、遥感影像、高程数字模型等数据都包括在数字矿山数字库中。目前多数矿山都采用传统的监测手段来获取相应的矿产数据。但传统手段很难满足矿山建设过程中需要对地理数据更新的需求。并且，传统技术的操作周期长、成本高，都影响了实际的工作效率。另外，矿山所在地多为偏僻的山区，有人机航摄、卫星遥感等技术很难达到对信息的实际需求。并且也很难满足矿山对数据现实性的要求。而低空无人机航摄技术的出现，则有效地解决了这些问题，同时也能满足建设数字矿山的实际需要。

5 总结

无人机遥感航摄技术的空中遥感平台以低俗无人机为主，并通过摄像、彩色、黑白、红外灯传感器技术在空中拍摄相应区域的影响数据，并通过计算机技术对这些采集来的图像信息进行分析与加工。这个无人机航摄信息采集处理系统在最优化组合和设计方面都有显著的特点。这也是一种融合遥测、遥感、遥控等多方面技术并与计算机技术进行良好配合的新型信息采集应用型技术。

因为无人机航测技术具有较好的实时性，所以这种技术可以及时对数据库中的地质环境信息进行更新、升级和修正。这一功能为我国政府等职能部门对矿产、国土、环境等方面的管理、治理、监管工作提供了技术支持以及信息保证。

同样，随着我国改革开放的不断深入，经济、技术等方面都有了长足的进步。我国各个地区的地形地貌发生了很明显的改变。现有的国土、矿产勘测技术已经很难满足如今的生产需要。如今发展迅速的经济文化建设事业也需要全新的遥感探测技术为其提供信息支持。而无人机正是应对这种需求而产生发展起来的一项全新的应用性技术，同时也能有效提升相关测绘行业的工作效率。相对传统的地理资料踏查方法，无人机航摄技术的应用于推广，有着十分重要的实际意义。