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    無人機航測在露天礦山中的應用

    2022-06-24 熱度:1663 ℃

    摘要:露天礦山地形復雜多變,導致傳統測量難度大、效率低、成本高,迫切需要一種更為高效快捷的測量手段,應用于露天礦山資源開發的全生命周期中。

      無人機航測技術具有耗時短、數據采集精度高、成果三維可視化程度高等特點,已成功應用于城市規劃、農林測量、應急救災、地形地貌測量等方面。李德仁等從無人機飛行平臺、飛行姿態控制與導航、傳感器技術等方面分析了無人機航測存在的問題及應用前景。劉聰等、章夢霞等分析了露天礦區的特點,采用低空無人機遙感測繪技術,得到了礦山的三維數字模型,滿足1∶2 000比例尺成圖精度要求。袁修孝等利用自行設計的GPS輔助低空航攝系統,在大于100 km2的區域僅布置4個地面控制點,且滿足平地1∶500的地形測圖的精度要求。近幾年,隨著無人機類型的小型化、系列化開發取得突破性進展,包括固定翼、復合翼、多旋翼等多種機型,加上飛行控制系統的智能化、集成化,性價比越來越高,安全性越來越好,操控也更加簡便,基本擺脫了傳統測繪行業的專業束縛。新型輕小型無人機的采購單位、應用領域和操作人員均逐步從專業的“測繪屬性”,轉向各行各業開始普遍推廣應用的“大眾屬性”,相關技術參數指標已經達到甚至優于傳統的專用輕小型無人機測繪系統。

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      露天礦山地形復雜多變,導致傳統測量難度大、效率低、成本高,迫切需要一種更為高效快捷的測量手段,應用于露天礦山資源開發的全生命周期中。新型輕小型無人機航測技術的突破,使之常態化地自主進行無人機測繪的外業和內業作業成為可能。但是,該技術雖在露天礦山開采領域有不少成功應用案例,但仍不普及、不系統、不全面、不深入,沒有充分發揮新手段、新技術的優勢;未能做到全方位、全周期地應用所獲測繪成果,用以提高露天礦山資源開發利用的技術管理水平。

      綜上所述,總結新型輕小型無人機在露天礦山的推廣應用情況和成功經驗,分析發展趨勢,具有重要的指導意義。

      一、無人機航測支撐技術的發展

      輕小型無人機航測系統,依賴于無人機航測相關支撐技術的發展和瓶頸突破,特別是無人機硬件、無人機飛控系統、測量儀器和測量數據處理軟件四個方面。

      1.1 無人機硬件的發展

      近年來,各種復合高強度輕質材料的出現,如玻璃纖維、碳纖維等逐漸取代傳統材料,使無人機具有質量輕、體積小、強度高、耐腐蝕性能高等特點,極大地保證了機身的穩定性和安全性。太陽能電池、新型聚合物電池及混合動力能源應用于無人機動力方面,飛行參數穩定,可更好地滿足航攝飛行的技術指標要求。

      基于上述新材料、新動力技術的發展,出現了復合翼無人機和多旋翼的無人飛行器兩種新機型。新型復合翼無人機,兼具固定翼飛機及旋翼直升機的優勢,起飛和降落時通過旋翼升空或降落,其他階段通過固定翼高速飛行,同時較好地保證升降和前拉動力能量的合理分配,有利于無人機的安全起降與平穩飛行,是使用范圍廣、航測效率高的新機型,主要用于較大區域的測繪。多旋翼無人機通過飛行控制器與GPS定位的輔助,改變每個旋翼的轉速可達到精準控制無人機姿態,如懸停、旋轉、翻滾等動作,可在短時間內到達指定工作區域,迅速實現垂直起降操作,具有飛行穩定、定位精確、機動性好、航測精度高、可搭載航測設備種類多等優勢。但由于攜帶多個電動機,導致航測時間相對較短、飛行效率降低,主要用于中小區域的測繪。

      因此,新型無人機硬件的發展,首先依靠新材料和新動力能源的基礎技術支撐,帶動了無人機機型的變革和發展,催生了垂直升降的固定翼無人機和多旋翼的無人飛行器等新型無人機;具備價格較低、飛行性能好等屬性,且擺脫了傳統測繪行業的專業束縛,是普遍推廣應用的前提和基礎,促使了市場競爭機制的發揮,加速了無人機的發展和轉型升級。

      1.2 無人機定位與控制技術的發展

      無人機是搭載測量儀器的平臺,也需要滿足所搭載測量儀器的技術參數指標要求。主要體現在無人機的姿態控制與精確定位技術兩個方面,無人機姿態控制系統獲取了測量瞬時無人機的航偏角、俯仰角和滾轉角,其與描述像片空間姿態的角元素存在對應關系;借助無人機的精確定位技術,獲取無人機在測量瞬間的空間位置,其與測量儀器的攝影中心點空間位置相對固定,可簡單進行空間位置換算。

      基于無人機航測實際需求的改變,非線性動態控制、神經網絡智能控制和組合導航等方法的應用范圍更廣。通過動態控制,可從不同方面提高無人機的飛行性能,降低氣流、干擾源等對無人機航測過程的影響,保證整個飛行計劃中的控制效果,實現平穩飛行。

      在新型輕小型無人機精確定位方面,實時差分全球定位技術是一種新型常用的衛星定位測量方法,普遍應用于飛行速度相對較慢的多旋翼無人機的精確定位。事后差分全球定位技術,不能提高導航精度,但是能夠通過事后數據處理精確地獲取測量瞬間的無人機位置,其不必實時進行無人機空間位置的定位計算,因此受衛星數和信號強弱的影響小,普遍應用于飛行速度相對較快的固定翼無人機。

      1.3 測量儀器的發展

      隨著高分辨率單鏡頭數碼相機的發展,機身質量更輕,光學成像精度和圖像分辨率越來越高,校驗后的單反數碼相機已經能夠滿足無人機低空攝影測量的要求。盡管其并不能直接描繪被測區域的全貌,但測量效率高,可通過后期的圖像解析復原被測對象的三維屬性和顏色屬性,是一種經濟且高效的航空測量手段。

      各種新型先進的傳感器也不斷涌現,如三維激光掃描儀、小型多光譜/超光譜成像技術、合成孔徑雷達技術、Li-DAR成像技術等;不僅可以獲取地形地貌,還可實現被測區域色彩的區分及危險源的辨識。且高精度傳感器的體積及重量日漸趨于小型化,傳感器的運行也更為平穩,可較好地反映被測區域的清晰畫面,實現實時拍攝的目的,但是測量效率明顯低于低空航測。傳感器的綜合化及模塊化使用,使得測量成圖的精度得以保證,具有高分辨率、色彩豐富的特點,具備飛行控制系統通信、獲取飛行參數、解算適宜曝光時間、修正曝光時間、實時存儲數據等功能,更為智能化。

      高性能測量儀器呈現性能更優、體積更小的趨勢,不再是搭載能力大、續航時間長的大中型無人機的專屬。輕小型無人機搭載的測量儀器,近年來的進展主要體現在:一是在測量儀器的小型化、輕型化;二是測量精度和測量效率的提升;三是測量手段的多樣化和集成化,為輕小型無人機開展高精度航測作業提供了保障。

      1.4 測量數據后處理軟件的發展

      無人機測繪配套的測量數據后處理軟件也得到了較快發展,其種類較多,主要有PixelFac-tory、Inpho、PixelGrid、DPGrid等軟件系統,其基于集群網格化的并行計算,可實現影像的預處理、自動空三測量、同名點的密集匹配及影像的加工等,實現了測量的簡單化及智能化。常用的空中三角解析法,可實現航測影像的加密處理,將二維航測圖像轉化為三維密集點云。此外,立體矢量采集模塊可測制矢量地形圖,接收無人機航測的圖像。GPS輔助空中三角測量的技術也有了一定的研究,取代了傳統的地面控制點布設,可較好地保證測量精度。

      綜上所述,四個支撐技術的發展與集成創新,使新型輕小型無人機航測系統具備了優越的技術和經濟性能指標,為推廣應用奠定了堅實的基礎。

      二、露天礦山無人機航測中的應用現狀

      目前,輕小型無人機航測在露天礦山方面的應用不斷拓寬,主要包括礦區監測及植被覆綠情況、礦區地形地貌測量與危險源辨識、土石方量的計量等。

      2.1 礦區監測及植被覆綠情況的調查分析

      1) 礦區的監測。輕小型無人機的一次航測面積可達5 km2以上,精度高;對于大型礦山而言,一個或幾個架次基本可以滿足測量需求。對于礦區實際情況的調查、各種隱患的源頭監控、露天礦區土地復墾情況及評價等,都有著重要的指導意義。由于礦區的各種擾動效應眾多,應考慮不同的測量目的,實現差異化的無人機傳感器類型選擇。各種高性能及特色相機的使用,可實現礦區基礎信息的綜合采集,保證礦區的監測效果。

      2) 礦區植被覆綠情況的調查。輕小型無人機可在礦山植被生長區域進行快速拍攝,清楚了解植被的覆蓋范圍、生長趨勢及植被成活率等,為后期植被覆綠的評價及后期計劃的制定提供參考。結合圖像信息的NDVI植被指數提取技術,可獲取露天礦山原生植被及后期植被覆綠的范圍,成活率及植被的種類、生長密度及長勢等,得到植被的變化圖斑。最后,可通過現場的實測數據,進行綜合分析。輕小型無人機航測在露天礦山植被覆綠情況調查的應用,減少了人工的勞動強度,提高了工作效率,同時保證了檢查的質量,有效地改善了礦山植被覆綠的監控現狀。

      2.2 礦區地形地貌測量與危險源辨識

      1)露天礦區的地形地貌測量。輕小型無人機采用先進遙感傳感器技術、遙測遙控技術、GPS差分定位技術和通訊技術等,利用自帶傳感器及數據處理軟件,可短時間內獲取礦區的數字三維模型、等高線分布情況、臺階的實際開采情況等,實現了礦山的數字化建設與信息化處理;且航測的精度較高,地表建構筑物清晰可見,可滿足礦山1∶2 000成圖要求。通過地形地貌測繪,可以清楚直觀地了解采場全貌及局部情況。

      2)邊坡測量及各類危險源的辨識。露天礦山開采的工序復雜多變,存在著許多安全隱患,可能引起滑坡、泥石流等災害,進而造成難以挽回的損失。主要有溫度異常區、不穩定邊坡(排土場)、各種污染源等現象。高分辨率衛星可快速準確地獲取礦區塌陷范圍,清晰地得知細節信息,為分析塌陷的影響因素及影響程度等提供數據支持。但衛星監測的成本高,難以實現長時間地監控。露天礦山的高溫區探測方面,三維激光掃描技術及紅外成像技術已有了應用,但探測成本偏高,測量的效率較低,且不夠安全。

      2.3 礦區土石方量的計量

      露天礦山土石方量的確定,對于礦山的生產規劃及成本監控、工程款結算等,有著重要的意義。輕小型無人機為礦石方量的計算提供了新的思路,其不受礦山地形的影響,可在短時間內獲取相應區域的礦石儲量,快捷方便,可行性高。與計算機視覺理論結合,實現了礦山地形地貌的三維模型重建,成本低且測量高效。無人機測量的方法顯著提高了測量的工作效率,保障了礦堆體積變化的監測精度,形成了露天礦山工程量計算評估新模式,較好地滿足了礦山的土石方量計算及生產計劃的要求。

      三、露天礦山輕小型無人機航測存在的問題及應用前景

      3.1 當前存在的問題

      1)電池續航性能問題。由于輕小型無人機的機身體積及承重能力有限,難以攜帶多塊電池,且目前電池的續航性能一般,如鋰聚合物電池,只能維持在1 h左右,對于面積在10 km2以上的大型礦山而言,難以實現一次安全覆蓋性的航測工作。一定程度上,增加了航測的工作量,且多個架次需要航測路線的局部重疊,造成了不必要的浪費。

      2)測量精度控制問題。露天礦山測量期間,影響輕小型無人機航測精度的因素較多,主要與獲取影像的清晰度、傳感器的類型、像控點布置等有關。由于露天礦區開采區域的環境復雜多變,導致控制點的布設存在一定的難度,且受環境及車輛的干擾強,一定程度上導致獲取的圖像及信息的精度不高,對于后期的儲量計算及生產調度指揮有一定的影響。

      此外,傳感器的類型及靈敏度情況,也是影響航測精度的一大因素。數碼相機、三維激光掃描儀、激光雷達等,受制于露天礦山測量的目的,在選取時,應進行綜合分析。且無人機航測中,單一的傳感器的應用效果并不能達到預期目標。

      3)測量數據處理問題。目前,無人機航測平臺多樣,均需要配套的專用軟件和硬件系統,測量基礎數據和數據處理軟件的兼容性差,故在數據分析和處理過程中,需要進行數據的分類輸入,導致數據處理的前期準備和后期分析工作繁瑣,數據耗時長,專業性要求較高。如何能有效統一、簡化數據輸入、輸出的過程和標準,是提高航測數據處理效率的重要方面。

       3.2 輕小型無人機露天航測的發展前景

      1)礦區勘查與規劃設計。輕小型無人機航測技術可對存在安全隱患的區域進行測量,而且測量效率高、成本低。搭載單反相機的固定翼無人機,幾個架次就可以完成礦區及其周邊的地形地貌特征的測繪。進行必要的數據后處理,可獲得航測區域的三維或者二維地圖,直接服務于露天礦山的前期勘探測量、礦區生態環境調查、礦產資源開發利用方案編制和露天礦山規劃設計等。

      2)礦山生產計劃編制與現場管理。輕小型無人機航測可實現大型露天礦山的全覆蓋三維建模,獲取整個礦區的實景全貌,及時更新地形地貌,此是生產計劃編制和施工現場管理的技術基礎??梢约皶r而準確地了解礦區的宏觀采場現狀,如開采平臺的位置、范圍及空間關系等,掌握礦區道路及排土場的空間分布關系等,亦可對重點區域進行進一步的高精度航測,為礦山生產計劃編制與現場設備布置提供依據,保證長期生產計劃與短期配礦得以良好地實施。

      同時,可進行施工現場的調度與管理,例如礦山臨時道路的規劃與設計、生產計劃執行情況檢查與糾偏、各平臺采剝作業的計量與管理等,有利于現場調度員落實生產計劃、合理安排施工設備,使得現場管理決策更加科學化、合理化。

      3)復雜地形測量與工程計量。露天礦山的復雜地形區域及存在安全隱患的區域,例如高陡邊坡區域、塌方區域、地下存在不穩定采空區的區域等,可選擇高精度的無人機航測方案進行精確測量,快速精確獲取復雜區域、危險區域的地形數據,生成特定區域的三維數字模型,為制定針對性的施工方案和技術措施奠定基礎。在露天礦山工程計量方面,輕小型無人機航測系統可有效進行工程量的圈定與計量,耗時較短,精度較高,極大改善了工作環境,并提高了工作效率。

      4) 礦山安全監管。輕小型無人機航測技術測量效率高、精度高、性價比高,且無需接觸危險區域就可以獲得高陡邊坡周邊和排土場全域的地形地貌信息,遠程踏勘分析高陡邊坡和排土場的局部開裂與滑塌情況,而且所有測量數據的可視性非常好,為科學合理地研究對策與方案奠定基礎。另外,借助高效、高精度的航測手段,可獲得采場與多個排土場的空間位置關系、排土場的堆積形態、堆積范圍變化等數據,及時而精確地反饋排土場的技術參數,從而對排土場進行排土管理與安全監控。同時,可通過對排土場進行定期的間歇性航測,對比兩期或多期的航測結果,分析排土場堆積體的形態變化與發展趨勢,對排土場的滑塌等安全隱患進行監控與預警。

      5)礦區生態環境監控與閉坑管理。在礦山開發的全生命周期,都可以應用無人機航測技術效率高、成本低、非接觸測量安全性高的優勢,進行露天礦山及其周邊的生態環境監控,及時發現可能的生態環境影響,從而制定環境保護措施和方案。隨著國家綠色礦山建設的不斷推進,露天礦山的復墾復綠也是礦山生產和閉坑階段的重要內容,可利用無人機攜帶專業化的傳感器,達到確定復綠范圍及植被生長情況等的目的。同時,搭載不同的傳感器,可實現區域與植被生長情況的統一調查,分析植被的高度、存活率等,對露天礦山的復綠工作極為有利。

      四、結論

      1)輕小型無人機航測技術的快速發展,取決于無人機硬件系統、定位系統與控制系統的進步、測量儀器性能及數據處理軟件四個方面的突破。

      2) 無人機航測技術可較好地生成露天礦山的三維地形地貌,分析礦區植被覆綠范圍及生長狀態等,同時也可用于礦區滑坡等危險源的標識及監控。相比于傳統的工程量計算方法,其具有較好的優勢。

      3)輕小型無人機存在電池續航、圖像數據精度及數據處理的不兼容性等問題,一定程度上制約了在露天礦山航測方面推廣應用。本文提出了輕小型無人機在露天礦山航測發展前景,可較好地應用于露天礦山的全生命周期中。


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