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无人机航测技术在露天矿山中的应用现状与展望
来源:《中国矿业》期刊 | 作者:张兵兵 崔晓荣 | 发布时间: 2022-02-21 | 8512 次浏览 | 分享到:
无人机航测技术具有耗时短、数据采集精度高、成果三维可视化程度高等特点,已成功应用于城市规划、农林测量、应急救灾……

各种新型先进的传感器也不断涌现,如三维激光扫描仪、小型多光谱/超光谱成像技术、合成孔径雷达技术、Li-DAR成像技术等;不仅可以获取地形地貌,还可实现被测区域色彩的区分及危险源的辨识。且高精度传感器的体积及重量日渐趋于小型化,传感器的运行也更为平稳,可较好地反映被测区域的清晰画面,实现实时拍摄的目的,但是测量效率明显低于低空航测。传感器的综合化及模块化使用,使得测量成图的精度得以保证,具有高分辨率、色彩丰富的特点,具备飞行控制系统通信、获取飞行参数、解算适宜曝光时间、修正曝光时间、实时存储数据等功能,更为智能化。

高性能测量仪器呈现性能更优、体积更小的趋势,不再是搭载能力大、续航时间长的大中型无人机的专属。轻小型无人机搭载的测量仪器,近年来的进展主要体现在:一是在测量仪器的小型化、轻型化;二是测量精度和测量效率的提升;三是测量手段的多样化和集成化,为轻小型无人机开展高精度航测作业提供了保障。

1.4 测量数据后处理软件的发展

无人机测绘配套的测量数据后处理软件也得到了较快发展,其种类较多,主要有PixelFac-tory、Inpho、PixelGrid、DPGrid等软件系统,其基于集群网格化的并行计算,可实现影像的预处理、自动空三测量、同名点的密集匹配及影像的加工等,实现了测量的简单化及智能化。常用的空中三角解析法,可实现航测影像的加密处理,将二维航测图像转化为三维密集点云。此外,立体矢量采集模块可测制矢量地形图,接收无人机航测的图像。GPS辅助空中三角测量的技术也有了一定的研究,取代了传统的地面控制点布设,可较好地保证测量精度。

综上所述,四个支撑技术的发展与集成创新,使新型轻小型无人机航测系统具备了优越的技术和经济性能指标,为推广应用奠定了坚实的基础。

露天矿山无人机航测中的应用现状

目前,轻小型无人机航测在露天矿山方面的应用不断拓宽,主要包括矿区监测及植被覆绿情况、矿区地形地貌测量与危险源辨识、土石方量的计量等。

2.1 矿区监测及植被覆绿情况的调查分析

1) 矿区的监测。轻小型无人机的一次航测面积可达5 km2以上,精度高;对于大型矿山而言,一个或几个架次基本可以满足测量需求。对于矿区实际情况的调查、各种隐患的源头监控、露天矿区土地复垦情况及评价等,都有着重要的指导意义。由于矿区的各种扰动效应众多,应考虑不同的测量目的,实现差异化的无人机传感器类型选择。各种高性能及特色相机的使用,可实现矿区基础信息的综合采集,保证矿区的监测效果。

2) 矿区植被覆绿情况的调查。轻小型无人机可在矿山植被生长区域进行快速拍摄,清楚了解植被的覆盖范围、生长趋势及植被成活率等,为后期植被覆绿的评价及后期计划的制定提供参考。结合图像信息的NDVI植被指数提取技术,可获取露天矿山原生植被及后期植被覆绿的范围,成活率及植被的种类、生长密度及长势等,得到植被的变化图斑。最后,可通过现场的实测数据,进行综合分析。轻小型无人机航测在露天矿山植被覆绿情况调查的应用,减少了人工的劳动强度,提高了工作效率,同时保证了检查的质量,有效地改善了矿山植被覆绿的监控现状。

2.2 矿区地形地貌测量与危险源辨识

1)露天矿区的地形地貌测量。轻小型无人机采用先进遥感传感器技术、遥测遥控技术、GPS差分定位技术和通讯技术等,利用自带传感器及数据处理软件,可短时间内获取矿区的数字三维模型、等高线分布情况、台阶的实际开采情况等,实现了矿山的数字化建设与信息化处理;且航测的精度较高,地表建构筑物清晰可见,可满足矿山1∶2 000成图要求。通过地形地貌测绘,可以清楚直观地了解采场全貌及局部情况。

2)边坡测量及各类危险源的辨识。露天矿山开采的工序复杂多变,存在着许多安全隐患,可能引起滑坡、泥石流等灾害,进而造成难以挽回的损失。主要有温度异常区、不稳定边坡(排土场)、各种污染源等现象。高分辨率卫星可快速准确地获取矿区塌陷范围,清晰地得知细节信息,为分析塌陷的影响因素及影响程度等提供数据支持。但卫星监测的成本高,难以实现长时间地监控。露天矿山的高温区探测方面,三维激光扫描技术及红外成像技术已有了应用,但探测成本偏高,测量的效率较低,且不够安全。

 

2.3 矿区土石方量的计量

露天矿山土石方量的确定,对于矿山的生产规划及成本监控、工程款结算等,有着重要的意义。轻小型无人机为矿石方量的计算提供了新的思路,其不受矿山地形的影响,可在短时间内获取相应区域的矿石储量,快捷方便,可行性高。与计算机视觉理论结合,实现了矿山地形地貌的三维模型重建,成本低且测量高效。无人机测量的方法显著提高了测量的工作效率,保障了矿堆体积变化的监测精度,形成了露天矿山工程量计算评估新模式,较好地满足了矿山的土石方量计算及生产计划的要求。

露天矿山轻小型无人机航测

存在的问题及应用前景

3.1 当前存在的问题

1)电池续航性能问题。由于轻小型无人机的机身体积及承重能力有限,难以携带多块电池,且目前电池的续航性能一般,如锂聚合物电池,只能维持在1 h左右,对于面积在10 km2以上的大型矿山而言,难以实现一次安全覆盖性的航测工作。一定程度上,增加了航测的工作量,且多个架次需要航测路线的局部重叠,造成了不必要的浪费。