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(kāi)發(fā)的全生命周期中。

　　無(wú)人機航測技術(shù)具有耗時(shí)短、數據采集精度高、成果三維可視化程度高等特點(diǎn)，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(wú)人機飛行平臺、飛行姿態(tài)控制與導航、傳感器技術(shù)等方面分析了無(wú)人機航測存在的問(wèn)題及應用前景。劉聰等、章夢(mèng)霞等分析了露天礦區的特點(diǎn)，采用低空無(wú)人機遙感測繪技術(shù)，得到了礦山的三維數字模型，滿(mǎn)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(gè)地面控制點(diǎn)，且滿(mǎn)足平地1∶500的地形測圖的精度要求。近幾年，隨著(zhù)無(wú)人機類(lèi)型的小型化、系列化開(kāi)發(fā)取得突破性進(jìn)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?xún)r(jià)比越來(lái)越高，安全性越來(lái)越好，操控也更加簡(jiǎn)便，基本擺脫了傳統測繪行業(yè)的專(zhuān)業(yè)束縛。新型輕小型無(wú)人機的采購單位、應用領(lǐng)域和操作人員均逐步從專(zhuān)業(yè)的“測繪屬性”，轉向各行各業(yè)開(kāi)始普遍推廣應用的“大眾屬性”，相關(guān)技術(shù)參數指標已經(jīng)達到甚至優(yōu)于傳統的專(zhuān)用輕小型無(wú)人機測繪系統。

　　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(kāi)發(fā)的全生命周期中。新型輕小型無(wú)人機航測技術(shù)的突破，使之常態(tài)化地自主進(jìn)行無(wú)人機測繪的外業(yè)和內業(yè)作業(yè)成為可能。但是，該技術(shù)雖在露天礦山開(kāi)采領(lǐng)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(méi)有充分發(fā)揮新手段、新技術(shù)的優(yōu)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(kāi)發(fā)利用的技術(shù)管理水平。

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

　　一、無(wú)人機航測支撐技術(shù)的發(fā)展

　　輕小型無(wú)人機航測系統，依賴(lài)于無(wú)人機航測相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展和瓶頸突破，特別是無(wú)人機硬件、無(wú)人機飛控系統、測量?jì)x器和測量數據處理軟件四個(gè)方面。

　　1.1 無(wú)人機硬件的發(fā)展

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

　　基于上述新材料、新動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，出現了復合翼無(wú)人機和多旋翼的無(wú)人飛行器兩種新機型。新型復合翼無(wú)人機，兼具固定翼飛機及旋翼直升機的優(yōu)勢，起飛和降落時(shí)通過(guò)旋翼升空或降落，其他階段通過(guò)固定翼高速飛行，同時(shí)較好地保證升降和前拉動(dòng)力能量的合理分配，有利于無(wú)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(wú)人機通過(guò)飛行控制器與GPS定位的輔助，改變每個(gè)旋翼的轉速可達到精準控制無(wú)人機姿態(tài)，如懸停、旋轉、翻滾等動(dòng)作，可在短時(shí)間內到達指定工作區域，迅速實(shí)現垂直起降操作，具有飛行穩定、定位精確、機動(dòng)性好、航測精度高、可搭載航測設備種類(lèi)多等優(yōu)勢。但由于攜帶多個(gè)電動(dòng)機，導致航測時(shí)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(wú)人機硬件的發(fā)展，首先依靠新材料和新動(dòng)力能源的基礎技術(shù)支撐，帶動(dòng)了無(wú)人機機型的變革和發(fā)展，催生了垂直升降的固定翼無(wú)人機和多旋翼的無(wú)人飛行器等新型無(wú)人機；具備價(jià)格較低、飛行性能好等屬性，且擺脫了傳統測繪行業(yè)的專(zhuān)業(yè)束縛，是普遍推廣應用的前提和基礎，促使了市場(chǎng)競爭機制的發(fā)揮，加速了無(wú)人機的發(fā)展和轉型升級。

　　1.2 無(wú)人機定位與控制技術(shù)的發(fā)展

　　無(wú)人機是搭載測量?jì)x器的平臺，也需要滿(mǎn)足所搭載測量?jì)x器的技術(shù)參數指標要求。主要體現在無(wú)人機的姿態(tài)控制與精確定位技術(shù)兩個(gè)方面，無(wú)人機姿態(tài)控制系統獲取了測量瞬時(shí)無(wú)人機的航偏角、俯仰角和滾轉角，其與描述像片空間姿態(tài)的角元素存在對應關(guān)系；借助無(wú)人機的精確定位技術(shù)，獲取無(wú)人機在測量瞬間的空間位置，其與測量?jì)x器的攝影中心點(diǎn)空間位置相對固定，可簡(jiǎn)單進(jìn)行空間位置換算。

　　基于無(wú)人機航測實(shí)際需求的改變，非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )智能控制和組合導航等方法的應用范圍更廣。通過(guò)動(dòng)態(tài)控制，可從不同方面提高無(wú)人機的飛行性能，降低氣流、干擾源等對無(wú)人機航測過(guò)程的影響，保證整個(gè)飛行計劃中的控制效果，實(shí)現平穩飛行。

　　在新型輕小型無(wú)人機精確定位方面，實(shí)時(shí)差分全球定位技術(shù)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(wú)人機的精確定位。事后差分全球定位技術(shù)，不能提高導航精度，但是能夠通過(guò)事后數據處理精確地獲取測量瞬間的無(wú)人機位置，其不必實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)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(wú)人機。

　　1.3 測量?jì)x器的發(fā)展

　　隨著(zhù)高分辨率單鏡頭數碼相機的發(fā)展，機身質(zhì)量更輕，光學(xué)成像精度和圖像分辨率越來(lái)越高，校驗后的單反數碼相機已經(jīng)能夠滿(mǎn)足無(wú)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(guò)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(jīng)濟且高效的航空測量手段。

　　各種新型先進(jìn)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(shù)、合成孔徑雷達技術(shù)、Li-DAR成像技術(shù)等；不僅可以獲取地形地貌，還可實(shí)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(huà)面，實(shí)現實(shí)時(shí)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(diǎn)，具備飛行控制系統通信、獲取飛行參數、解算適宜曝光時(shí)間、修正曝光時(shí)間、實(shí)時(shí)存儲數據等功能，更為智能化。

　　高性能測量?jì)x器呈現性能更優(yōu)、體積更小的趨勢，不再是搭載能力大、續航時(shí)間長(cháng)的大中型無(wú)人機的專(zhuān)屬。輕小型無(wú)人機搭載的測量?jì)x器，近年來(lái)的進(jìn)展主要體現在：一是在測量?jì)x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(wú)人機開(kāi)展高精度航測作業(yè)提供了保障。

　　1.4 測量數據后處理軟件的發(fā)展

　　無(wú)人機測繪配套的測量數據后處理軟件也得到了較快發(fā)展，其種類(lèi)較多，主要有PixelFac-tory、Inpho、PixelGrid、DPGrid等軟件系統，其基于集群網(wǎng)格化的并行計算，可實(shí)現影像的預處理、自動(dòng)空三測量、同名點(diǎn)的密集匹配及影像的加工等，實(shí)現了測量的簡(jiǎn)單化及智能化。常用的空中三角解析法，可實(shí)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(diǎn)云。此外，立體矢量采集模塊可測制矢量地形圖，接收無(wú)人機航測的圖像。GPS輔助空中三角測量的技術(shù)也有了一定的研究，取代了傳統的地面控制點(diǎn)布設，可較好地保證測量精度。

　　綜上所述，四個(gè)支撐技術(shù)的發(fā)展與集成創(chuàng )新，使新型輕小型無(wú)人機航測系統具備了優(yōu)越的技術(shù)和經(jīng)濟性能指標，為推廣應用奠定了堅實(shí)的基礎。

　　二、露天礦山無(wú)人機航測中的應用現狀

　　目前，輕小型無(wú)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(wú)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(gè)或幾個(gè)架次基本可以滿(mǎn)足測量需求。對于礦區實(shí)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(jià)等，都有著(zhù)重要的指導意義。由于礦區的各種擾動(dòng)效應眾多，應考慮不同的測量目的，實(shí)現差異化的無(wú)人機傳感器類(lèi)型選擇。各種高性能及特色相機的使用，可實(shí)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(wú)人機可在礦山植被生長(cháng)區域進(jìn)行快速拍攝，清楚了解植被的覆蓋范圍、生長(cháng)趨勢及植被成活率等，為后期植被覆綠的評價(jià)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(shù)，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(lèi)、生長(cháng)密度及長(cháng)勢等，得到植被的變化圖斑。最后，可通過(guò)現場(chǎng)的實(shí)測數據，進(jìn)行綜合分析。輕小型無(wú)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(dòng)強度，提高了工作效率，同時(shí)保證了檢查的質(zhì)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(wú)人機采用先進(jìn)遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和通訊技術(shù)等，利用自帶傳感器及數據處理軟件，可短時(shí)間內獲取礦區的數字三維模型、等高線(xiàn)分布情況、臺階的實(shí)際開(kāi)采情況等，實(shí)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(jiàn)，可滿(mǎn)足礦山1∶2 000成圖要求。通過(guò)地形地貌測繪，可以清楚直觀(guān)地了解采場(chǎng)全貌及局部情況。

　　2）邊坡測量及各類(lèi)危險源的辨識。露天礦山開(kāi)采的工序復雜多變，存在著(zhù)許多安全隱患，可能引起滑坡、泥石流等災害，進(jìn)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(chǎng))、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(shí)現長(cháng)時(shí)間地監控。露天礦山的高溫區探測方面，三維激光掃描技術(shù)及紅外成像技術(shù)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(chǎn)規劃及成本監控、工程款結算等，有著(zhù)重要的意義。輕小型無(wú)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(shí)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(jué)理論結合，實(shí)現了礦山地形地貌的三維模型重建，成本低且測量高效。無(wú)人機測量的方法顯著(zhù)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(mǎn)足了礦山的土石方量計算及生產(chǎn)計劃的要求。

　　三、露天礦山輕小型無(wú)人機航測存在的問(wèn)題及應用前景

　　3.1 當前存在的問(wèn)題

　　1）電池續航性能問(wèn)題。由于輕小型無(wú)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(shí)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(gè)架次需要航測路線(xiàn)的局部重疊，造成了不必要的浪費。

　　2）測量精度控制問(wèn)題。露天礦山測量期間，影響輕小型無(wú)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(lèi)型、像控點(diǎn)布置等有關(guān)。由于露天礦區開(kāi)采區域的環(huán)境復雜多變，導致控制點(diǎn)的布設存在一定的難度，且受環(huán)境及車(chē)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(chǎn)調度指揮有一定的影響。

　　此外，傳感器的類(lèi)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(shí)，應進(jìn)行綜合分析。且無(wú)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(wèn)題。目前，無(wú)人機航測平臺多樣，均需要配套的專(zhuān)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(guò)程中，需要進(jìn)行數據的分類(lèi)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(shí)長(cháng)，專(zhuān)業(yè)性要求較高。如何能有效統一、簡(jiǎn)化數據輸入、輸出的過(guò)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(wú)人機露天航測的發(fā)展前景

　　1）礦區勘查與規劃設計。輕小型無(wú)人機航測技術(shù)可對存在安全隱患的區域進(jìn)行測量，而且測量效率高、成本低。搭載單反相機的固定翼無(wú)人機，幾個(gè)架次就可以完成礦區及其周邊的地形地貌特征的測繪。進(jìn)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(wù)于露天礦山的前期勘探測量、礦區生態(tài)環(huán)境調查、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方案編制和露天礦山規劃設計等。

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

　　同時(shí)，可進(jìn)行施工現場(chǎng)的調度與管理，例如礦山臨時(shí)道路的規劃與設計、生產(chǎn)計劃執行情況檢查與糾偏、各平臺采剝作業(yè)的計量與管理等，有利于現場(chǎng)調度員落實(shí)生產(chǎn)計劃、合理安排施工設備，使得現場(chǎng)管理決策更加科學(xué)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(wú)人機航測方案進(jìn)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(shù)措施奠定基礎。在露天礦山工程計量方面，輕小型無(wú)人機航測系統可有效進(jìn)行工程量的圈定與計量，耗時(shí)較短，精度較高，極大改善了工作環(huán)境，并提高了工作效率。

　　4） 礦山安全監管。輕小型無(wú)人機航測技術(shù)測量效率高、精度高、性?xún)r(jià)比高，且無(wú)需接觸危險區域就可以獲得高陡邊坡周邊和排土場(chǎng)全域的地形地貌信息，遠程踏勘分析高陡邊坡和排土場(chǎng)的局部開(kāi)裂與滑塌情況，而且所有測量數據的可視性非常好，為科學(xué)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(chǎng)與多個(gè)排土場(chǎng)的空間位置關(guān)系、排土場(chǎng)的堆積形態(tài)、堆積范圍變化等數據，及時(shí)而精確地反饋排土場(chǎng)的技術(shù)參數，從而對排土場(chǎng)進(jìn)行排土管理與安全監控。同時(shí)，可通過(guò)對排土場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)堆積體的形態(tài)變化與發(fā)展趨勢，對排土場(chǎng)的滑塌等安全隱患進(jìn)行監控與預警。

　　5）礦區生態(tài)環(huán)境監控與閉坑管理。在礦山開(kāi)發(fā)的全生命周期，都可以應用無(wú)人機航測技術(shù)效率高、成本低、非接觸測量安全性高的優(yōu)勢，進(jìn)行露天礦山及其周邊的生態(tài)環(huán)境監控，及時(shí)發(fā)現可能的生態(tài)環(huán)境影響，從而制定環(huán)境保護措施和方案。隨著(zhù)國家綠色礦山建設的不斷推進(jìn)，露天礦山的復墾復綠也是礦山生產(chǎn)和閉坑階段的重要內容，可利用無(wú)人機攜帶專(zhuān)業(yè)化的傳感器，達到確定復綠范圍及植被生長(cháng)情況等的目的。同時(shí)，搭載不同的傳感器，可實(shí)現區域與植被生長(cháng)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(wú)人機航測技術(shù)的快速發(fā)展，取決于無(wú)人機硬件系統、定位系統與控制系統的進(jìn)步、測量?jì)x器性能及數據處理軟件四個(gè)方面的突破。

　　2） 無(wú)人機航測技術(shù)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(cháng)狀態(tài)等，同時(shí)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(yōu)勢。

　　3）輕小型無(wú)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(wèn)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(wú)人機在露天礦山航測發(fā)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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