无人机航测技术在露天矿山监测应用的研究综述

郑 浩

(华北理工大学，河北 唐山 063210)

前言

我国计划在“十三五”期间实现我国重要成矿带、矿集区、矿产资源规划区的1∶50000～1∶10000全覆盖矿山开发遥感调查和监测。建成全国矿产资源开发“一张图”系统。自2006年“十一五”期间以来，矿山的多目标遥感勘测和监测开始实施，完成矿山开发状况，矿产资源规划和矿山状况的矿区已经有30个省(市或区)重要成矿区，近20个国家重点矿区和6万多个矿区。环境遥感勘测监测已完成1∶250000规模的遥感勘测监测面积120万km2，1∶50000和1∶10000规模的遥感勘测监测面积780000km2。查出18000多个违规建设或越界开采的矿山，识别了6800多个露天矿山区域内容易发生地质灾害滑坡泥石流等的区域，为每个省份对省内矿山开发开采的管理工作和开采后地质环境治理工作提供了重要的依据。初步建立了一种将常规调查和紧急情况监测相结合并融合了天地人的矿山遥感监测技术系统。正在形成覆盖全国的地物遥感监测网络[1]。

1 无人机航测在国外的发展状况

无人机航测技术主要包括飞行器技术、传感器技术、姿态控制技术、通信技术和影像处理技术[2]。最初的无人驾驶飞行器在军事范畴的利用更普遍。第一次世界大战期间，英国军方首次提出开发一种小型飞机，这种飞机不需要有人驾驶，可以飞到目标地区进行轰炸。然而，由于当时技术的不成熟，这个计划搁浅了。直到美国在1916年对第一架无人机进行了成功的测试。无人机航测技术是在20世纪末集成电路和雷达节制技术有了较大的成长以后迈出了重要一步。Prayila和Wester-Ebbinghaus完成了世界上第1次利用旋翼无人机做航测，在1979年和1980年先后进行了2次实验，第1次是光学相机做实验，第2次实验搭载Rolleifex相机。这次实验结果，对于后来无人机在航空摄影测量中的应用研究有着巨大的参考价值[3-5]。

20世纪末期，随着雷达控制和集成电路技术的持续发展，无人机航行控制技术也得到巨大突破，无人机的性能方面包括飞行姿态、航行时长和作业范围大小等都有着明显的提高，其中最大的突破是无人机可完成预编程控制飞行，甚至自主飞行。现阶段在国外，有上百种各类用处各类机能的无人机，具备代表性的旋翼无人机首要有OS4和Mesicopter 2种，OS4来自于瑞士联邦理工学院(EPFL)，Mesicopter是四旋翼无人机由美国斯坦福大学研发而成；牢固翼无人机首要有UX5(美国天宝公司)、eBee(瑞士senseFly公司)和天狼星Sirius Pro(Topcon)；而在复合式无人机范畴TerraHawk CW-30无人机占有了首要市场，是由美国JOUAV公司结合Phoenix LiDAR体系公司研发而成。

在传感器技术方面，中型传感器的像素已经可达到8000万像素，能够取代许多大型传感器的作业工作，高像素的镜头与集成技术作为无人机航测的主要技术，其发展为航测任务的发展奠定了基础，也使得摄影传感器的应用领域得到了拓展。中小型相机和小型稳定器的组合重量轻，易于携带，在应急测绘方面有很好的利用远景。可以组合不同类型的传感器以执行多波段高光谱摄影测量。小型价廉的激光扫描设备与MS相机集成在一起，通过相应的软件可以用于解决任务计划和导航等问题。

在数据处理软件方面，数据量大、分辨率高、影像重叠度高的无人机影像与遥感影像相比来说，一些传统的遥感软件，如ENVI、ERDAS IMAGINE、PCI等遥感图像处理软件无法满足无人机影像的数据处理需求。所以航测内业人员想要大量的无人机影像数据在短时间内处理完同时又要保证航测相片的处理精度的，就需要专用于无人机影像处理的软件。

目前，国外主流的无人机影像处理软件平台有LPS(徕卡公司)、Inpho(德国INPHO公司)、PCIGeomatica(PCI公司)和Pix4Dmapper(瑞士Pix4D公司)。还有最近几年由于无人机航测更加面向三维数据而使用较多的Photoscan、Context CaptureCenter以及上文提到的Pix4Dmapper等软件。

Guillaume Brunier等利用无人机航测在法属圭亚那湾进行了数据采集工作。获取了2013年和2014年的数字地表模型数据，经过比较分析，发现了2013—2014年度法属圭亚那湾地质形式的变化[7]。2015年，克劳迪娅(Claudia)等人使用无人机测量了西班牙安达卢西亚地区的沟壑，并建立了沟壑的三维模型[8]。

2 无人机航测在国内的发展状况

在我国，在过去近40a的时间民用无人机逐步发展起来，早在1980年，一款主要用于航测和航空物探的多用途无人机D-4在陕西省科学技术委员会与西北工业大学共同努力下研发而成，但直到1995年，D-4无人机才进入量产阶段。此后，无人机的应用领域也逐步扩展，如在进行植物保护监测、抗震救灾、电力设施建设、气象监测等方面，都有无人机活跃的身影。近年来，无人机摄影测量受益于成熟的技术和产品的商业化。路径导航、续航能力、极端条件的航行、建模算法和模型精度等问题已得到一定程度的解决，可应用于古迹的维护和环境保护。在矿产资源调查、地质灾害监测、灾后损失评估、地图测绘、农业精准管理等领域均取得了显著的成绩。2008年5·12大地震后，王青山等通过对川西北堰塞湖进行无人机航拍，获得了高清的震后灾区的影像资料，为预防震后次生灾害工作提供了有力的支持[9]。杨青山等使用无人机和传统矿山测量2种方法分别对新疆军嫂矿和五洲四号矿进行了矿山动态储量评估，并对评估结果对比分析。据测算，使用无人机航空摄影测量对矿山储量进行动态监测所耗费的时间仅是传统测量方式的1/3，极大地减少了工作量，提高了生产效率[10]。2016年，韩文霆等在河套灌区塔尔湖镇进行一次航测，使用决策树、向量积等方法对灌区成果进行了分类。研究结果表明，分类精度良好，使用无人机航测技术可以在灌区进行土地利用和覆被分类[10]。

3 露天矿山监测的现状

我国矿产资源总量世界第3，是一个矿产资源丰富的国家，但随着经济的快速发展，不断增加的矿产资源需求，使我国越来越重视矿产资源开发管理。正因此，对我国现有的矿产资源进行合理的开发是非常有必要的。对矿山进行实时动态监测也是是非常有必要的。矿山测量所获取的数据必须要有足够的精度，因为这些资料质量的高低决定了后续矿山开采工作的进行，同时关系到矿区内作业人员的生命安全和开采过后的土地恢复治理工作的开展。实时动态监测能够实时掌握露天矿山开采的准确性和开采进度，为建设数字矿山提供了可靠的技术支撑。通过矿山无人机航测数据获取矿山三维模型，利用全站仪获取露天矿山的二维坐标，利用GPS-RTK技术采集露天矿山区域内精确控制点，制作精准的露天矿山开采区域的三维模型作为基础数据，为后续露天矿山开采工作的管理打下一定的基础。无人机航测、GPS-RTK等一些新兴的测量技术在矿山测量工作中使用大大削弱了以往传统测量方式的局限性，多种测量方法仪器相结合对矿山进行数据采集，均衡利弊，保证了准确性和高效性。就目前而言，选用哪种测量方法或者是哪种测量技术都要根据所在矿区的具体情况做决定[6]。对于重点矿山区域的测量，在必要时应准备计划。在测量过程中对于误差产生的3个来源环境、仪器和人员分别进行控制。现代化的测量仪器大都属于高精密仪器，因此在实际测量过程中应注意温度、天气状况等环境因素。同时，还应考虑如何尽量减少人为因素和非人为因素对测量结果准确性的影响。此外，在对露天矿山监测过程中，由于矿区内不同区域所需要监测的重点有所不同，必须因地制宜，采用不同的测量方法根据不同的测量要求，以确保相同条件下矿山监测结果的精准度。

GPS接收机自从我国在20世纪80年代中期引进以来，其应用范围逐渐扩大，在工程应用方面也取得了不错的成绩，应用GPS静态相对定位技术布设精密工程控制网矿山测量和矿区油田地面沉降监测等精密工程加密测图控制点应用。应用GPS实时动态定位技术可进行工程建设的放样以及地形图的测绘等。我国矿山的勘测工作也伴随着GPS接收机技术发展得到飞跃性的进步。GPS的应用使得矿区的控制测量工作从不可能变成了有可能，从而取代了使用全站仪进行控制测量的繁琐步骤。RTK技术通过全球定位系统对地面点的坐标进行精确测量，从而可以获得大型矿区的地形图数据。与传统的全站仪控制相比，使用GPS-RTK技术的最突出之处是人们不再需要考虑地形是否通视、不再受地形因素的限制，优化了先前使用全站仪繁琐的测量步骤，提高了工作效率，减少了资源的浪费。甚至在一定程度上保护了生态环境，因其不需要因为通视问题而砍伐有阴影的树木。近年来，GPS-RTK技术在地勘方面技术的成熟使得它在露天矿山测量中具有无法替代传统测量方法的优势，但是对于大型矿区，由于GPS信号接收等问题并无法完全实现矿井测量的数字化。

王鸿鸽研究了无人机航测在矿山测绘中的实际应用，使得低空无人机遥感测量在大比例尺测图中的应用得以实现[13]。张忠结合了多年的切身经验，分析了低空无人机遥感测量的特点和适用范围，论述了在矿山测量上无人机测量的方法[12]。

国土资源管理工作要求对我国各重要成矿带、矿集区和重要规划区的矿产资源开发状况进行全面调查，实现“一年一图”、“以图管矿”。但目前的工作仅实现了对163个国家重点矿区的一次调查。随着我国工业化、城镇化的进一步深入，经济社会发展对矿产资源供给提出了更高的需求。为保持我国矿产资源开发与矿山地质环境保护工作的和谐发展，为国家管理矿政工作提供技术支撑，需要利用摄影测量和遥感技术在重要的矿产资源开发地区进行矿山开发调查与监测工作。矿山监测工作主要内容有监测矿山区域内地质环境、监测矿山工作是否按照矿产资源规划进行开采开发和监测矿产资源开发现状，目前来说各省市的主要矿集区、成矿带是主要的监测对象，2011年国家实施矿山监测工作共部署1∶10000或1∶50000比例尺监测区261个，工作区遥感解译总面积达到55.8万km2。2012年遥感监测工作部署涉及217个全国重点矿区、工作面积90.4万km2。目前，已经完成194个监测区、80.1万km2的遥感监测工作，其中，1∶50000监测区60.2万km2，1∶10000监测区10.9万km2，共提取出矿产疑似违法图斑4713处。

4 结论

基于无人机航测数据对矿山环境进行动态变化监测和实时监测，为矿山环境保护与修复监测提供最有力支撑。采用无人机航测技术，以省或市为单位对地形复杂的矿山开展调查监测工作，获取露天矿山的资源开发利用建设信息，覆盖辖区内大大小小的露天矿山制作正射影像图和三维模型为露天矿山后续的开发开采工作提供依据。需要整顿和规范化的重点露天矿山，可进行两、三年的连续监测，以监督和审核矿山管理人员进行矿区内资源开发秩序的整顿工作和资源开采后的环境治理工作，同时也可结合地理信息系统为以省或市为单位建立露天矿山监管系统提供了技术支撑。