浙江有色测绘院有限公司 浙江省绍兴市 312000
摘要：随着社会的快速发展，我国的科学技术快速进步，目前，已被运用到各个领域。以露天矿山开采应用的旋翼无人机为例，分析了无人机航测技术在露天矿山开采中的应用，旋翼无人机飞行灵活、适应性强、功能丰富，可在露天矿山开采过程中辅以计算机软件完成采剥算量、边坡监测与稳定性分析以及灾害可视化等工作，极大地提高了露天矿山在相关工作中的效率。
关键词：露天矿山开采；无人机；航测技术；地质调查
引言
由于地质构造和外部条件影响，岩体内留下了大量方向不同、尺度各异的破裂结构面。破裂结构面是岩体中强度最低、抵抗变形能力最弱的部分，它们的存在导致了岩体力学强度降低、抗变形能力变弱，使岩体具有明显的各向异性。岩体力学强调，岩体的变形和破坏在通常情况下是结构面及其网络的变形与破坏，主要通过结构面的张开和剪切变形来实现。为充分认识露天矿边坡各区域岩体节理的分布规律及质量特征，统计出各区域优势结构面产状信息，需对露天边坡已揭露区域结构面进行系统调查，为矿区边坡岩体质量评价和工程地质分区提供基础参数。
1无人机航测系统
传统地质灾害调查多采用人工排查的方法，因矿区面积较大，人工排查仅是点、线的排查，井下一个盘区对应地表排查时间约一周左右，存在排查时间长，排查地点不全面等缺点；常规航测为有人驾驶飞机，但因航拍比例尺小，成本高等问题，在地质灾害调查中很少采用。无人机航测可成制大比例尺地形图，成本低，机动灵活，特别是在雨季三防期间，对不良地质地，地质灾害隐患点等可实时多期航拍，第一时间获取现场数据，为地质灾害预测预报工作提供了一种新的方法。
2无人机的分类及特点
目前航拍无人机按照机翼种类的不同，主要分为固定翼机与旋翼机两大类。固定翼无人机特点：①载重量相对较小，对拍摄器的重量要求较高，目前只能搭载如GOPRO、卡片机之类体积小、质量轻的拍摄器材；②飞行时机身晃动幅度较大，抗风能力比旋翼机差；③只能掠过式拍摄，不能悬停，不能实现倾斜摄影；④速度快，航程长，效率高于旋翼机。旋翼无人机特点：①垂直起降，可悬停，飞行灵活，易于控制，拍摄角度多变，并能够实现精确悬停，定位拍摄，可够实现倾斜摄影，可更好更直观地建立拍摄区域的三维模型；②旋翼无人机对复杂的地理环境、天气有很强的适应性，抗风能力强于固定翼无人机；③功能丰富，作为良好的搭载平台，更多地应用于工程测绘、救灾、农业播种等领域；④飞机耗电强度大，飞行速度慢，单次航程和工作效率低于固定翼无人机。
3无人机航测现场工程地质调查
3.1无人机航空摄影测量系统
本次调查采用多旋翼无人机航空摄影测量系统，由轻小型无人机系统和内业影像解译系统组成，主要包括：１）无人机飞行平台：大疆御MAVIC PRO四旋翼无人机（图1）。
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图1 大疆御MAVIC PRO无人机
2）摄影平台：FC220/FC6310。
3）影像解译系统：三维点云建模系统（图2）。
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图2 无人机航测工程地质调查工作流程
3.2现场工程地质调查流程
根据《低空数字航空摄影测量外业规范》、《1：500 1：1000 1：2000比例尺地形图航空摄影规范》等相关规范要求，对无人机低空飞行进行规划。作业前需进行测区踏勘、控制量测；作业阶段需进行“地面控制点布设→地面控制点中心坐标获取→低空飞行规划→相机参数设置与标定→飞行作业→航摄相片数据采集”等过程。先放置最好大于3处的地面控制标靶点，并采用PTK准确测定标靶点的大地坐标，用于后期处理。无人机升空后通过拍摄多组图像获取岩体结构面图像，要求相邻两张之间图像信息的重叠率大于70%，以满足图像叠加获取三维点云数据。
4无人机在露天矿开采中的应用
4.1应用于露天开采过程中的采剥方量计算
将露天矿开采前后预处理得到的DEM模型应用到矿业工程三维软件3DMine中，先在3DMine中将DEM模型装换为DTM表面模型，通过开采前后的DTM表面模型，建立封闭的DTM模型，最后将封闭的DTM模型分为若干个方格并建立封闭表面模型内的块体模型，对每个方格按照长方体进行体积计算，最终通过将各个方格网累加得到工程量计算区域总工程量，并分别得到采矿量和剥离量。先锋露天矿选用的航测旋翼无人机，每架航次有效作业时间为30分钟，可航拍0.8km²，两个架次就能完成整个采坑的航拍，测量技术员的野外作业效率较传统的RTK测量方法提高了近十倍
4.2在露天矿灾害可视化及边坡灾害预警方面的应用
预处理得到的数字高程模型（DEM）上可以显示地形起伏，并可添加文字符号及地图要素等多种数据，在保证DEM数据、航测影像及地图要素等的位置坐标一致的前提下，能实现露天矿灾害的三维可视化建立。经过镶嵌纠正处理后的航拍影像能够提供清晰完整的地物信息，并可快速成图，满足露天矿灾害的定量评估与地物解译要求。此外，对数字高程模型上的每个三角单元逐个进行纹理映射，可制作更加逼真的露天矿边坡三维数字模型，从模型上量取滑坡区域的宽度、长度、面积、坡度、高程、体积等信息，可完成露天矿滑坡灾害定量评估，为开展边坡监测预警工作，并有针对性地编制防治预案奠定了基础
4.3智能终端APP：地质灾害调查系统
现场勘查人员通过此APP应用可以记录隐患的各类信息（如位置、类型、描述以及图形影像），并将获取的信息传回中心服务器管理，也可以接收中心下达的检查任务并执行、反馈。见图3。
图3 APP初始界面及功能演示
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结语
本文采用无人机航测技术实现了露天矿区地质灾害调查工作，改变过去人工拉网式的调查方式，提高了调查工作效率，而且能够覆盖人工调查无法到达的盲区，通过与井下采掘情况对比，可以进一步分析研究井下采动引起的地质灾害分布规律，既可实现对露天矿井周边地质地貌的大范围快速普查，又可高效获取高清晰度的地貌照片，清晰分辨出常见的地质灾害，大大增强了地质灾害调查效率，为现代化地质灾害调查工作提供了一种先进的、有实用价值的技术手段，但无人机续航时间短，地面控制站有效距离5Km以内，有望在今后的续航和控制传输距离的增加以及多架飞机协同作业，来提高工作效率。本文设计开发了“矿区地质灾害调查系统”，以及智能终端APP，实现了对矿区地表的裂缝、塌陷区、老窑口等地质灾害隐患（问题）的发现及监测，为露天矿区地质灾害普查和治理工作提供了有力依据，在以后的地形地貌数据获取、露天矿山地质灾害调查、土地调查复垦等方面可以发挥重要的作用，从而更好地推动矿山建设与可持续发展。
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