摘要：露天矿山地形复杂多变，导致传统测量难度大、效率低、成本高，迫切需要一种更为高效快捷的测量手段，应用于露天矿山资源开发的全生命周期中。新型轻小型无人机航测技术的突破，使之常态化地自主进行无人机测绘的外业和内业作业成为可能。但是，该技术虽在露天矿山开采领域有不少成功应用案例，但仍不普及、不系统、不全面、不深入，没有充分发挥新手段、新技术的优势；未能做到全方位、全周期地应用所获测绘成果，用以提高露天矿山资源开发利用的技术管理水平。对此，在接下来的文章中，将针对轻小型无人机航测技术在露天矿山中的应用现状与展望方面进行详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：轻小型无人机；土石方量；危险源辨识；露天矿山全生命周期
引言：轻小型无人机存在电池续航、图像数据精度及数据处理的不兼容性等问题，一定程度上制约了在露天矿山航测方面推广应用。为了解决该种现状，文章针对具体应用措施进行详细的分析。
1.露天矿山无人机航测中的应用现状
1.1矿区监测及植被覆绿情况的调查分析
首先，矿区的监测。轻小型无人机的一次航测面积可达5km2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；其次，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，清楚地了解植被的覆盖范围、生长趋势及植被的成活率等，为后期的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NDV1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。
1.2矿区地形地貌测量与危险源辨识
第一，露天矿区的地形地貌测量。轻小型无人机采用了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∶2000的成图要求。通过地形地貌的测绘，可以清楚直观地了解采场的全貌及局部情况。第二，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。
1.3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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
2.露天矿山轻小型无人机航测存在的问题及应用前景
2.1当前存在的问题
首先，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1h左右，对于面积在10km2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；其次，测量精度控制问题。露天矿山测量期间，影响轻小型无人机航测精度的因素较多，主要与获取影像的清晰度、传感器的类型、像控点布置等有关。由于露天矿区开采区域的环境复杂多变，导致控制点的布设存在一定的难度，且受环境及车辆的干扰强，一定程度上导致获取的图像及信息的精度不高，对于后期的储量计算及生产调度指挥有一定的影响。此外，传感器的类型及灵敏度情况，也是影响航测精度的一大因素。数码相机、三维激光扫描仪、激光雷达等，受制于露天矿山测量的目的，在选取时，应进行综合分析。且无人机航测中，单一的传感器的应用效果并不能达到预期目标；最后，测量数据处理问题。目前，无人机航测平台多样，均需要配套的专用软件和硬件系统，测量基础数据和数据处理软件的兼容性差，故在数据分析和处理过程中，需要进行数据的分类输入，导致数据处理的前期准备和后期分析工作繁琐，数据耗时长，专业性要求较高。如何能有效统一、简化数据输入、输出的过程和标准，是提高航测数据处理效率的重要方面。
2.2轻小型无人机露天航测的发展前景
首先，矿区勘查与规划设计。轻小型无人机航测技术可对存在安全隐患的区域进行测量，而且测量效率高、成本低。搭载单反相机的固定翼无人机，几个架次就可以完成矿区及其周边的地形地貌特征的测绘。进行必要的数据后处理，可获得航测区域的三维或者二维地图，直接服务于露天矿山的前期勘探测量、矿区生态环境调查、矿产资源开发利用方案编制和露天矿山规划设计等；其次，矿山生产计划编制与现场管理[1]。轻小型无人机航测可实现大型露天矿山的全覆盖三维建模，获取整个矿区的实景全貌，及时更新地形地貌，此是生产计划编制和施工现场管理的技术基础。可以及时而准确地了解矿区的宏观采场现状，如开采平台的位置、范围及空间关系等，掌握矿区道路及排土场的空间分布关系等，亦可对重点区域进行进一步的高精度航测，为矿山生产计划编制与现场设备布置提供依据，保证长期生产计划与短期配矿得以良好地实施。同时，可进行施工现场的调度与管理，例如矿山临时道路的规划与设计、生产计划执行情况检查与纠偏、各平台采剥作业的计量与管理等，有利于现场调度员落实生产计划、合理安排施工设备，使得现场管理决策更加科学化、合理化；最后，复杂地形测量与工程计量。露天矿山的复杂地形区域及存在安全隐患的区域，例如高陡边坡区域、塌方区域、地下存在不稳定采空区的区域等，可选择高精度的无人机航测方案进行精确测量，快速精确地获取了复杂区域、危险区域的地形数据，生成特定区域的三维数字模型，为制定针对性的施工方案和技术措施奠定基础[2]。
结论：
简而言之，无人机航测技术可较好地生成露天矿山的三维地形地貌，分析矿区植被覆绿范围及生长状态等，同时也可用于矿区滑坡等危险源的标识及监控。相比于传统的工程量计算方法，其具有较好的优势。
参考文献
[1]廖卫中.小型四旋翼无人机控制系统设计与实现[D].天津：天津大学，2019.
[2]袁修孝.GPS辅助空中三角测量原理及应[M].北京：测绘出版社，2018.
论文作者:周亚峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/9/10
标签：无人机论文; 矿山论文; 矿区论文; 露天论文; 测量论文; 植被论文; 地形论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;