浅谈无人机航测技术在露天矿山测量中的应用

余 梨

（四川省安全科学技术研究院，四川，成都 610000）

1 引言

无人机航测与传统测量相比，传统测量基本只能获取一些特征点，不能体现细致地形地貌，且在测区较大的情况下，传统测量投入的人力较大且成果输出时间较长。无人机航测投入人力极少，可以测摄到一些人员无法达到的区域、航飞时间短，可生成高辨率点云文件，生成的彩色点云数据可与CAD软件无缝衔接，生成的.Las点云数据文件可与纬地软件无缝连接，能够更有效，更直观，更快捷的为露天矿山测量服务。

2 无人机航测技术

传统航空摄影测量由于飞行成本高，飞行条件苛刻，一直无法有效的在露天矿山测量中进行应用。无人机航测是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势。

近年来随着科技的发展，无人机电池容量不断加大，电池重量不断减小，数码相机不断小型化高清化，无人机的民用市场越来越普及。特别是在垂直固定翼无人机技术不断成熟的趋势下，使得以往飞行条件比较恶劣的露天矿山航测已经变得轻而易举，实时差分技术与后差分技术也使得无人机航测精度越来越高。而且在无人机航测设备价格不断减小的背景下，无人机航测技术在露天矿山测量中的应用已显示出其独特的优势。

3 无人机航测流程

3.1 无人机航测数据采集一般流程

无人机航测数据采集一般流程为：空域申请、航线设计、实地考察、野外控制测量及像控测量、无人机组装测试、飞行实施、飞行记录、数据检查、回收归置无人机。

像控点是控制航空测量成果平面和高程精度的关键性参数，其本质上是满足项目坐标系需求的精准RTK测量点，通常以人工布设和寻找特征点两种方式来明确像控点位置。首先根据飞行测量区域及航线信息，预先在电脑按航带均匀规划像控点可布设位置，预设点位应尽量选取车辆道路可到达位置，点位应尽量分布均匀，对边缘地带能起到控制作用。其次，测区关键部位，均应多布设像控点，以保证重要部位测控数据精度，避免过多的平高误差；若因地形限制或时间限制，预设布设像控点布设不完善，均应在航测过后，根据航飞影像数据，寻找合适地面特征点进行像控点补充测量。

3.2 无人机航测数据处理一般流程

3.2.1 数据预处理

1）原始数据下载包括：影像数据、像控点数据、POS数据；

2）设置测区参数；

3）导入原始数据:影像数据、像控点数据、POS数据；

4）航带处理。

3.2.2 空中三角测量

1）影像匹配；

2）无约束平差；

3）像控点刺点；

4）约束平差;

5）空三加密解算。

3.2.3 成果输出

可输出成果有正射影像图、三维点云、三维地面模型、数字线划图等等。

4 在露天矿山的应用

4.1 露天矿山周边地质灾害调查

矿山建设与生产将对地质环境进行强烈的改造和破坏，可能将诱发或引发地质灾害；这两方面将给矿山的建设和运营等带来较大危险。传统矿山地质灾害调查主要作业方法是人工实地调查和航片与卫片的解译，前者普遍存在周期长、成本高、效率低、难覆盖全部区域；后者采购周期长、时相差、分辨率低，且受气象条件影响大，难以满足时间周期紧张、时效性强的项目。

采用无人机航测技术可生成正射影像图，利用正射影像图能生动直观、及时准确的对矿山周边进行地质灾害调查，及时发现新的安全隐患，对已发现地质灾害体可利用无人机进行倾斜摄影技术并可利用三维地表模型进行三维可视化的逃生路线设计。

4.2 露天矿山方量变化及计算

利用多期无人机航测数据生成点云数据可根据不规则三角网法计算开采方量。原理如下：在建立好的不规则三角网中，其每一个基本单元的核心是组成不规则三角形的三个顶点的三维坐标，在开采前地表面的三角网中，同时从每个三角形的三个顶点竖直向下引出三条直线，直到与开采后的地表面的三角网相交，便形成许多的三棱柱，这时整个区域的土石方地形便形成了由许多连续但不可微分的三棱柱组成的集合。分别计算出每个三棱柱的体积，所有的三棱柱体积之和便是整个区域的土石方量。

相交于传统测量方法进行方量计算，点间距为厘米的更能反应矿山方量变化，更能精准计算开采方量，掌握矿山储量变化。效率更高，解决了传统测量中很多点位人员无法到达以及施测时间过长的问题。

4.3 露天矿山地形图绘制

传统矿山地形图测量采用的全野外数字测图方法，具有投入人员多、效率低等基本缺点，另外该方法受地形条件限制较大，在山地和高山地测量范围难度较大，多数地区人员无法到达，范围覆盖后达到的精度水平也较低，而忽略的地形将为后续的规划、建设等带来安全隐患或工作量统计缺失。

无人机航测技术的测量结果精度完全满足1:2000地形图航测摄影测量内业规范。无人机轻便灵活的特点可在项目接收后进行快速部署；测量范围可在航线设计中快速调整，有效覆盖矿山周范围；内业处理可根据不同需求进行不同范围的处理，并提供正射影像图、数字高程图、数字格栅图等多类型测绘产品；成图处理中可参照国家基本比例尺地图图式进行修饰，完成高质量的数字线划图。因此，无人机航测技术可以快速高效、保证质量地完成露天矿山地形测量工作，并提供高时效性的露天矿山“4D”测绘产品。

4.4 坡面角快速获取技术

坡面角，即坡面角度，露天矿山采场、排土场各级台阶坡面角及尾矿库各级子坝坡面角在其前期设计过程中都有比较严格的要求，通常情况下不能超过设计角度，否则就带来垮塌、溃坝等重大隐患。利用无人机航测技术生成点云数据可在电脑中直接量取坡面角，掌握露天矿山安全状态。

4.5 汇水面积计算

矿山汇水面积是矿山行洪能力的一项重要指标参数，可通过无人机航测技术快速得到矿山汇水面积，通过相应计算得到矿山行洪能力。为露天矿山防汛作出重要作用。

4.6 违章建筑清查

在露天矿山建设及运营中，有时会遇到当地居民在已经进行征地赔偿情况，仍旧进行新建房屋，农业建设等情况，或导致露天矿山建设及运营受影响，定期进行无人机航测生成相应地区高分辨率正射影像图，及时发现问题，并作相应处理。

4.7 BIM技术应用

利用无人机航测技术生成的点云数据，可将矿山不同时期的点云数据建档，留待将来使用。而且利用矿山点云数据，可进行3D设计，将使用矿山设计，复垦设计更加合理全面。

5 应用前景及展望

随着无人机航测技术的不断成熟与发展，未来无人机航测技术必将在露天矿山产生更多应用，而随着无人机的价格不断下降，不少矿山也已经自行购买无人机，进行相应的日常矿山测量工作，这一划时代的技术，将在矿山的精细化管理上发挥越来越重要的作用。