消费级无人机摄影测量技术在露天矿山开采监测中的应用研究

李睿智，徐 洋

（河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队，河北 秦皇岛 066000）

我国拥有数千座露天矿山，其产出的矿石、煤炭等资源对我国的经济发展具有重要作用，是我国工业生产的重要原材料。同时，矿业产业也是我国的一个重要支柱产业，为提高我国经济发展速度和质量，保障国家能源安全和资源安全发挥了重要作用。露天矿山开采可能会对周围环境造成一定影响，包括地表沉降、噪声振动、产生灰尘等，因此，需要实时了解矿山开采的进度和状况，监测可以及时发现矿山中的安全隐患，还能优化开采方式，提高开采效率，减少矿业资源浪费[1-3]。

传统的矿山监测需要人员进入采矿区域进行巡查，存在安全隐患，而无人机可以避免人员进入危险区域，保证巡查过程的安全可靠。因此，巡检已成为当前矿山监测的主要作业方式，但是传统的固定翼无人机单次飞行成本较高，且飞手培养难，外业成本高，安全风险大。而消费级无人机的成本相对较低，维护和操作也比较简便，可以实现自主飞行，在复杂的飞行环境下，消费级小型无人机更灵活安全，能够完成更加灵活的巡检任务，应用无人机机巢可以远程对无人机进行操控，自动实现无人机起飞、巡检、数据传输和降落充电等功能，为矿山管理提供定期的监测巡查和数据采集服务。因此，本文主要针对消费级无人机在露天矿山开采监测中的应用展开研究。

1 相关理论基础

1.1 消费级无人机

消费级无人机是一种体积小、重量轻、价格较低且易于携带和操作的无人飞行器，其主要以个人、业余爱好者和小规模应用为主，用途包括拍摄照片和视频、科学研究、农业及物流配送等。与行业专用和商用无人机相比，消费级无人机的价格低廉，维护成本低，操作简单，使得大众群体也能够拥有和使用无人机，代表了无人机技术的大众化趋势。目前，市场上的消费级无人机主要有遥控小型飞行器、自主导航追踪无人机、民用无人机等不同类型，主要还是以简易的飞行控制器为核心，利用遥控器或智能手机应用程序来控制，常见的消费级无人机品牌有DJI、Parrot、Yuneec 和Syma 等。

1.2 倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是以无人机为飞行平台，并搭载多角度相机，通过航拍获取目标物清晰完整的影像数据，其改变了传统航拍技术的限制，有效提高三维模型生产效率，可以更加清晰反映地面实物的实际情况，大幅度降低了三维建模数据获取的时间、人力和经济成本。如图1 所示，图中PP′为相机主光轴，ON 为被摄点的垂直与地平线方向，t 为PP′与ON 的夹角。当倾斜角度5°30°时即为高度倾斜影像[3-4]。

图1 倾斜摄影倾斜角度示意图

摄影测量的主要测量对象是地球表面，根据对地面获取影像时摄像机安放的位置不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、低空摄影测量和地面摄影测量。低空摄影测量一般航高在100~1000 m 之间，低空摄影测量具有成果快、生产周期短、运作成本低和可操作性强等特点，在危险区域图像实时获取、土地变化监测、建筑物违章监管、环境监测和应急指挥等方面有着广泛应用。

1.3 无人机机巢

无人机机巢也叫无人机机库、无人机机场。传统的无人机巡检需要人工现场进行操控，而如果在测区现场布设机巢，实现无人机自动起飞、作业和降落则可以实现矿山开采自动监测。根据无人机的大小，无人机机巢可以分为大型、中型和小型无人机机巢；根据无人机电池的补能形式，则可以分为充电和换电机巢。本次巡检主要应用到的是小型、充电型无人机机巢。

2 外业数据采集及三维模型重建

2.1 作业区概况

实验测区位于某市偏远地区的某小型露天煤矿，矿区面积约为0.5 km2，按照开采规划要求定期采集地势变化和土地利用情况数据，帮助矿山管理者制定管理决策。由于测区整体面积较小，本项目拟采用消费级无人机，应用Mini 无人机机巢实现矿山自动监测。整体技术流程如图2 所示，首先监测管理人员根据巡检需求和矿区地形情况，确定巡检范围和路径，并将巡检任务输入Mini 机巢智能系统中，设定巡检内容和时间；然后Mini 机巢对无人机下发巡检任务，无人机飞行到指定位置后执行飞行任务，利用各种传感器采集相关数数据信息，并上传到云端进行分析处理；最后无人机完成飞行计划，自动返航回到机巢进行充电。

图2 无人机自动监测流程图

2.2 倾斜摄影外业数据采集

本次数据采集设备为大疆御Mavic Air2 无人机，该款无人机仅重570 g，属于小型多旋翼消费级无人机，主要用于娱乐级航拍。该款无人机悬停垂直和水平精度均为±0.1 m（视觉定位正常工作时）、±0.5 m（GPS 正常工作时）。连拍影像分辨率约为1 200 万像素，最快飞行速度约为19 m/s（运动档），最长飞行时间约为34 min。无人机机巢选择的是智方S10 小型无人机自动机场，体积小、重量轻，长宽高均为0.8 m，本项目将无人机机巢安装在矿区某办公楼楼顶，距离测区约800 m，无人机及机巢如图3（a）所示。影像数据采集和内业处理应用的都是某云端控制系统，主要包括3 个主要功能。第一，任务规划管理。为无人机设置新的飞行任务，同时也可查看历史所建飞行任务，并对已保存的任务进行编辑；第二，执行任务管理。指派特定的无人机对选择的任务进行执行，包含地图显示、在线无人机、待命无人机、任务执行及飞行操作等。第三，数据管理。对无人机、自动机场、载荷的飞行数据和后期处理作业数据结果进行存储，并建立管理库，方便后期进行数据查阅和调用[5]。

图3 无人机机巢及倾斜摄影航线设计

首先应用配套云端控制系统先选定拍摄区域，然后使用大疆智能飞行器（御Mavic Air2）采集航拍数据。航拍过程中需要注意飞行高度、拍摄角度等参数的设置，以获得高质量的航拍数据，飞行高度均设置为100 m，相机倾角分别设置为0°、30°、45°、60°和90°，航线规划飞行参数见表1[6]。

表1 飞行参数设置

本次影像数据采集航线重叠为80%，旁向重叠为70%，并设置“井”字型飞行航线进行数据采集，航线设计如图3（b）所示。

待无人机飞行任务完成后需根据回传的影像数据进行倾斜实景三维建模，在云端控制系统中选择“新建任务-三维建模”菜单，填写任务名称，然后任务栏里导入采集好的影像数据，这里需要导入的是多架次采集的航线拍摄图片；再进行参数设置，包括重建类型、建图场景、重建清晰度、计算模式和兴趣区域建模等，并进行像控点管理，设置像控点坐标系，导入像控点进行像控点刺点；最后刺点完成后，退出像控点管理，提交进行三维重建，等待重建完成，即可获取实景三维模型。本项目建立的实景三维模型如图4 所示。

图4 露天矿山实景三维模型

由图4 可以看出，倾斜实景三维模型航测的范围涵盖了整个矿区，影像成图分辨率较高，在实景模型上即可对矿山周围环境、矿山开采规模、开采现状等信息进行全局掌握。

为检验三维模型的数据精度是否符合规范要求，本次共选取8 个校对点位进行数据的比对检验。将模型提取的坐标成果与后期人工实测成果进行对比（表2），平面中误差不超过0.55 m，高程中误差不超过0.7 m，参照GB/T 7931—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形图航空摄影测量外业规范》对矿区倾斜摄影测量模型精度规范，可以看出，基于消费级无人机建立的实景三维模型精度基本满足相关矿山监测调查要求。

表2 校对点精度统计表m

3 开采监测应用

本项目应用消费级无人机自动执行飞行任务、采集影像数据回传并建立实景三维模型，实现矿山多方面监测，主要包括以下几个方面[7-8]。

3.1 工作面和边坡的监测

首先基于矿区实景三维模型提取出矿山工作面和边坡的基本信息，采用人工标注的方式，确定矿山工作面和边坡的位置和范围，再利用图像算法和计算机视觉技术对影像进行处理，提取出矿山工作面和边坡的边缘以及特征点，获得精确的工作面和边坡的信息；然后进行工作面和边坡的监测，在矿山实景三维模型平台上，可以实时显示矿山的开采状态、工作面形态、边坡位移等数据信息；最后进行监测分析和反馈，通过对数据进行分析和比对，发现隐含的安全隐患，提前采取措施进行处理，保障矿山生产安全。

3.2 安全监测

基于矿区实景三维模型可以对矿山内外环境的各种信息加以提取和分析，形成各种需要的监测参数，例如岩石表面小型块状裂隙矩阵、矿块挑落倾角、矿山边坡变形性能等参数，通过对矿山实景三维模型的监测数据的统计、分析和比对，为矿区的生产安全和矿块资源合理利用提供科学数据支撑，实现对矿山中存在的安全隐患进行监测，包括大型矿坑、竖井、矿井巷道等危险区域进行观察，并为人员安全预警提供数据支持。

3.3 生态环境监测

基于消费级无人机通过搭载各类气象监测设备，可以对矿区气温、空气质量、气压等气象数据进行采集和监测；基于矿山实景三维模型，可以采集矿区植物的量化信息，如株高、树冠宽度、叶面积指数等参数，并监测植被面积、密度覆盖情况。生态环境监测数据管理和分析可采用矿山大数据平台，配备专业的数据分析软件进行监测数据的分析和处理。

3.4 设备监测

未来还可以使用红外热成像技术，对照明设备、电气设备、机械设备进行非接触式的监测。通过红外热成像可以实时捕捉到设备表面的温度变化，从而及时发现可能存在的问题，预防设备故障和事故。还可以基于矿山实景三维模型建立矿区设备管理平台，记录设备设定维护计划及维护次数，并将计划时刻表建立在监测平台进行追踪管理；同时，监测平台也可以根据监测到的设备实时状态数据，实现数据的实时、精准分析，帮助矿工和设备工程师深入了解设备运行状态的实际情况。

利用消费级无人机进行自动巡检可以提高矿山的安全性和效率，并且可以大大减少工作人员的风险，为矿山的安全和稳定运行提供有力保障。

4 结束语

综上所述，使用无人机进行矿山巡检，可以提高效率、减少安全风险、节省人力物力资源，但是传统的固定翼无人机对人员操作技能要求高且不适用于小型矿山巡检，因此本文将消费级无人机应用到矿山监测中实现了矿山自动监测。研究结果表明，消费级无人机进行矿山监测可以减少人工监测人力成本，提高任务效率，为企业提供全方位、高分辨率的数据支持，帮助矿山管理者更全面、高效地了解矿山开采现场情况，实现矿山开采过程的快速、准确监测。