无人机在露天矿方量计算中的应用

韩 健

（华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000）

施工单位在对露天矿山进行设计、开采的过程中，需要进行大量的测绘工作。技术人员要根据露天矿山的实际特点，进行精准的地形测量、矿区控制测量、边坡稳定性测量和方量测量等。露天矿山测量工作非常繁琐，不同类型的露天矿山需要采取不同的测量方法，技术人员需要具备较高的勘测水平[1]。施工单位在进行矿山开采的过程中，容易形成大面积的危岩体，部分区域难以抵达，因此需要积极改变传统的测量方法，引入更加完善的新技术、新方式，提高露天矿山测量的效率和安全性。

1 无人机在露天矿方量计算中的应用优势

由于无人机勘测技术速度较快，灵活性较强，能够不受矿山地形等物理因素的限制，拥有较好的三维可视化效果，在土地治理、地质灾害防控等领域应用越来越广泛。很多露天矿山项目规模较大，地形结构复杂，采用传统的测量方式不仅需要支付大量的人力、物力、财力成本，并且勘测数据的可靠性有待于提升[2]。最近几年，无人机勘测技术日益成熟，给地质勘测行业提供了新的契机。相关技术人员利用无人机进行露天矿山的测绘工作，能够大幅度提升测绘的精准程度，具有较高的可操作性。

目前，相关工作者利用Pix4D软件对矿山进行航拍图像的自动识别，可以生成高精准度的三维数字模型，极大地提高了测绘工作的效率。同时，可以利用无人机航测技术构建尾矿库数字模型，保证尾矿库勘测的安全性。无人机勘测技术可以实现1：500的高精度要求，通过近景摄影系统的操作，可以对露天矿山台阶爆破进行格式化设计，从而解决传统勘测过程中建模周期长，资料不完整等问题。

综上所述，无人机勘测技术有着重要的应用优势，在三维模型构建、矿山方量计算等方面发挥重要作用，需要技术人员深入分析无人机勘测技术的应用特点，结合露天矿山的实际情况进行有效的应用，保证方量计算工作的准确性。

2 无人机勘测的技术要求

地质勘测人员在利用无人机进行露天矿方量计算的过程中，需要重点进行开发前和开发后的数据采集，要利用Virtual Surveyor数据处理软件对信息进行建模分析，引入开挖区域范围来精确计算方量的实际数值。

2.1 无人机勘测准备工作技术要求

首先要进行测区踏勘，地质工作者应当充分了解勘测地形的实际情况，要确定施工开挖的方量范围，设置合适的无人机起飞点，为数据采集工作做好相应的准备。技术人员要利用Agisoft Photoscan Professional软件，对无人机行测数据进行处理，要借助软件功能生成完善的DOM和DSM模型，并且要对探测数据进行自动精度检核，要达到实际的分析处理要求[3]。由于很多露天矿山周围环境非常复杂，存在临时房屋和工程机械设备等障碍物，因此技术人员需要利用数字表面模型来进行数据纠正，要通过Virtual Surveyor对地表要素进行切除处理，得到高精准度的数字高程模型，将处理后的数字高程模型进行叠加，导入Virtual Surveyor软件，确定矿山规模范围，最后得出实际的方量值。

2.2 无人机测绘系统选型技术要求

技术人员要充分发挥无人机航测技术无死角的应用优势，要搭载高精准度的摄像头来进行矿山区域的数据采集。通常情况下，小型无人机采集的数据是定性的，难以满足矿山定量化勘测的数据要求。而中型和大型无人机可以搭载更加先进的勘测设备，但是成本较高，对驾驶员的操作技术也有更高要求，经济效益较低。因此，施工单位应当对矿山项目的测量精度和勘测成本进行有效控制，尽可能选择性价比高的小型民用无人机来进行露天矿山的勘测和建模工作。不同的无人机所采取的矿山测量与建模方式不同，所搭载的仪器和设备也有着较大的差异。技术人员应当兼顾勘测与建模系统的经济性与实用性，合理设置三维建模的技术指标，顺利开展露天矿山的方量计算工作。

2.3 无人机调度指挥技术要求

施工单位在进行露天矿山的开采过程中，需要保证无人机调度指挥系统的适应性，要对其中的影像采集与三维建模功能进行参数设置，综合考虑现场开采规划和安全生产管理的各方面要求，实现下达及执行生产调度的目的，要确保通过PDCA循环提高管理水平与效果[4]。技术人员需要重点完善无人机调度系统执行层的参数设置，要保证勘测工作的准确性与时效性，快速形成可视化的矿山数据模型。同时要对管理层的数据进行完善的应用，要保证指导调度现场的实际效果，对实景巡查和工程量计量等方面进行功能优化。

2.4 航线规划技术要求

航线规划设计是无人机外业工作的关键，因此技术人员应当根据无人机系统自带的图形来显示矿山区域的地形地貌，要结合勘测过程中获取的气候信息，布置4个架次，充分覆盖矿山的整个区域。为了保证最高处重叠率，需要将航向和偏向的重叠度设置在65%以上，航摄比例设置为1：500，采用定点曝光的方式进行摄影勘测，从而保证摄影图像的清晰效果。

3 无人机在露天方量计算中的应用途径

为了保证现场勘测工作的有效进行，施工单位的技术人员应当对无人机的勘测数据进行实时解析，要从外业作业来获取必要的巡测数据，将数据信息录入到内业处理软件中，获得高精准度的巡测结果，结合实际的生产需要对现场进行有效的调度指挥。

3.1 无人机巡测的外业工作设置

无人机外业作业的准备包括地面站安装、飞机组装、相机调试、飞行计划设计等。技术人员应当分别收集航拍外作业的POS数据，并且要对POS数据的查分和图像进行匹配，要满足图像解析软件处理的格式要求。同时，要利用采集的航拍图像进行坐标的自动生成，要保证图像生成的效果，对其中的控制点进行调试，获得矿山工程整体的三维模型密集点云。然后要利用专业的后台数据软件对三维密集点云进行局部台阶剖面分析，获得标准化的规划图。技术人员要在三维模型数字规划的基础之上建立矿山的数据实景模型，控制无人机进行航点数据采集，对矿山进行全方位的实景巡查，要了解矿山宏观的物理数据。必地质勘测单位必要时应当利用小型旋翼无人机来补充采集数据，从而获取更加完整、精准的矿山动态信息。要对比矿山三维规划设计和实际实行数据的差异，并分析产生的原因，保证无人机调度计划的适应性[5]。另外，施工单位需要及时进行调度指令的监督与纠正，要重复并迭代检查无人机的实际运行情况，对下一轮的实行数据进行更新和分析，实现管理水平的PDCA循环提升。技术人员要充分发挥无人机GPS定位系统的功能优势，要快速获取瞬间的空间位置，并与摄影中心进行数据校对，要通过解析空中三角数据的方式来还原无人机实际的巡测位置。目前，技术人员通常需要利用区域网平差的方法，对一定区域内的控制点进行加密处理，从而保证坐标位置的准确性。

3.2 航测数据的内业处理设置

施工单位为了保证露天矿山数据模型的属性效果，需要将二维航拍图像转化成三维密集点云。由于目前所应用的无人机可以在短时间内获取庞大的数据信息，因此技术人员应当利用Pix4D软件进行快速的数据转换，要自动生成3D模型，借助系统的空间属性还原功能对距离数值进行加权计算，从而构建数字正射影像图。

在进行露天矿的开采过程中，技术人员需要将开采前后的数据利用DEM模型进行转换，要先在三级软件3DMine中转化成DEM表面模型，构建封闭的DTM模型，并将该模型分解成若干个方格，进行块体模型分析。要具体计算每个方格的体积量，最终通过方格网叠加的方式计算出总工程量，从而得到采矿量和剥离量。施工单位要合理设置无人机的有效作业时间，通常需要保证每次作业时间为30min，航拍为0.8km2，从而有效提升勘测效率。在进行露天矿方量分析的过程中，要利用航测系统对数据进行预处理，生成数字高程模型，并转化成GRD、DXF等数据文件，结合Flac3D等模拟软件的要求,实现方量的定性计算。

3.3 调度系统设置

技术人员需要不断完善开拓系统的规划与设计，要基于Pix4D软件对矿山的长度、面积、体积进行快速测量，从而确定实际的开采规模。要对石料开采工程的参数进行可视化分析，合理规划，施工设备的配置方式。同时，要保证多规格石开采计划的科学性，提升地表三维模型与工程地质资料的匹配程度，根据爆破岩体的发育程度来确定规格石种类，从而提高爆破效率。并且还要实现远程专家诊断，要基于三维密集点云构建数字表面模型，对数据进行局部优化处理，及时了解露天矿山工程的实景巡查效果，一旦发现勘测异常情况，要及时进行指令调整。由于大多数矿山地理位置较为偏僻，因此需要将航测结果及时传送到总指挥室，由采矿专家进行远程的审阅调控，优化矿山开采工艺，顺利开展各项勘测生产工作。

4 结语

在当前的时代背景下，矿山施工单位应当充分发挥无人机技术的优势作用，要根据露天矿山实际的生产作业要求，灵活选择无人机类型和建模方式，要在现场勘测的过程中，科学设置无人机起飞点，根据矿山周围的环境特点和气候类型来规划航测路线。同时，技术人员要不断优化无人机航测系统的程序设置，借助完善的数据处理软件进行高效的信息转换工作，生成高精准度的数字模型，从而保证露天矿山方量计算的准确性与可靠性，为施工单位的现场作业提供完善的技术支撑。