无人机航测技术在大型露天采坑监测中的应用

无人机航测技术在大型露天采坑监测中的应用

闫亮亮

中晋环境科技有限公司，山西 太原 030000

摘要：在新一代信息技术驱动下，中国无人机航测技术快速发展，掀起了技术革命浪潮，提高了国家整体科技水平，并在众多领域中发挥技术优势。现阶段，将无人机航测技术应用于大型露天采坑中，可对一些自然现象进行精确监测，提升了工作效率。

关键词：无人机航测技术；露天采坑；精确监测；工作效率

引言

随着无人机航测技术的快速发展，其在露天采矿中应用较广。尤其针对一些大型露天采坑极易滑坡、落石等危险性因素，利用无人机航测技术可以有效规避这些安全风险，且数据精确度高，测量数据规范性很高，可以在大型露天采坑中进行实地应用。

一、无人机航测技术在大型露天采坑监测中的应用

1、确定基本航线，满足航测监测精准度要求

在露天采坑监测中使用无人机航测技术，可精准确定了基本航向，选择适合的监测范围，以保证勘测数据的准确性。同时，在无人机航测技术支持下，为提高航测精准度提供了技术支撑，无人机航测成像清晰度高，为大型露天采坑监测提供了新型技术手段，并实现了在恶劣环境下正常作业的目标。

2、在地质灾害防控方面的运用

大型露采坑极易发生突发性的地质灾害，譬如滑坡、碎石落坑等，其破坏性大，对工作人员作业及四周互不干涉造成的危害较大。无人机航拍技术能够获得准确的数据、视频和高质量的图像，运用无人驾驶航空遥感技术可对保护区内的灾情作出及时预报和损失预测，为救援工作提供依据。

1）快速进行影像测量。使用无人机动态拍摄可以在极短距离内完成所拍摄的图片，并可以在短周期内进行反复拍照，进而发挥动态监测灾情的功能。

2）地质灾害排查与评估。大量实验证明，无人机测量地形图的准确度能够满足现代地质学研究的需要。地质灾害由于具备突发性、破坏力极强等特征，因此易造成伤亡事故和财产损失。并可根据地质灾区地貌条件、气象预测以及植被毁坏的严重程度等因素，进行专题图的绘制。由此可见，无人机航测技术在地质灾害防控方面发挥着极为重要的作用，相关技术人员应该予以充分重视。

二、实例分析

露天矿山植被覆盖率普遍较低，适合消费级无人机开展调查。为验证无人机在露天矿地质环境调查中的应用前景，本文以山东东平县某废弃采石场为研究对象，分别采用无人机航测、GNSS-ＲTK调查研究区地形、地质灾害信息。对两种技术条件下取得的成果进行检核点误差分析及DEM精度分析。同时，结合地面调查建立地质灾害点三维模型。

1、研究区概况

研究区位于某县，工作区域地质岩类型系松散岩类、质地坚硬—坚硬碳酸盐岩工程地质岩组。

由于多年的露天开采，造成研究区植被覆盖率不足5%，地形地貌破坏严重。受采石放炮影响，区内边坡立面岩石节理裂隙发育，遗留的破碎松动岩石、危岩体形成多处崩塌地质灾害点。

2、数据获取

(1)无人机航测

近几年，消费级无人机航空摄影测量逐渐成为传统GNSS-ＲTK测量有效的补充手段，此次航测采用大疆精灵Phantom4ＲTK四旋翼无人机，机重1.4kg，最大飞行速度50km/h，单块电池续航30min，单次飞行最大作业面积约1km2(飞行高度182m)，无人机搭载2000万像素云台相机，快门速度8～1/8000s，相片最大分辨率5472×3648，满足1∶500地形图测图要求。

经现场勘查，利用无人机遥控器，参照低空数字航空摄影测量外业规范(CH/Z3003-2010)规划航测作业方案，作业方案主要包括研究区踏勘、航线规划、航测、快拼影像、外业像控、空三加密、立体测图、外业调绘等，具体流程见图1。结合研究区地形起伏较大的现状，确定航拍重叠度(航向80%，旁向60%)，航测范围1.4km²，航测时间为2021年10月9日9点45分，当天测区晴朗无风，太阳高度角约45°，阴影倍数小于2，主航线10条，适宜航测。设定航线为东西走向，相对航高100m，分辨率5.0MPix，飞行速度10m/s。本次航测共出动7架次，耗时4小时，拍摄照片1972张。

图1 精灵4ＲTK无人机航测技术路线

精灵4ＲTK无人机具有网络ＲTK功能，研究区面积1.4km2，地形起伏不大，网络信号较好，因此不需要架设基站即可进行航空摄影测量。研究表明，在研究区布置像控点可有效提高航测精度，为此，本次研究共均匀布设15个控制点(像控点10个，检核点5个)，控制点分布见图2。控制点中心砸入钢钉，周边喷涂红色油漆，即2个对称的等边三角形(边长1m)，三角形顶点为像控点。利用GNSS-ＲTK对每个控制点进行10次平滑测量，取平均值记录，作为控制点坐标。

图2 控制点分布图

(2)GNSS-ＲTK数据采集

利用GNSS-ＲTK(接入千寻网络)对研究区进行传统地形图测量，测图比例尺1∶500，碎部点最大间距15m，特殊地形、地物根据情况加密碎部点，水域部分仅沿岸边圈出边界。GNSS-ＲTK测绘用时5d，共获得15925个测点。

3、数据处理

(1)航测数据处理

大疆精灵4ＲTK在出厂时已测得相机内方位元素，无须再做相机检校，此外，该无人机航测所得的像片中记录有拍摄时的POS数据可用于解算相片外方位元素。利用SfM算法对所得航摄数据进行数据处理，其原理是从具有重叠影像的航片集中计算出每幅航片的外方位元素，从而恢复地表的三维坐标。进而得到研究区的DSM及DOM。

(2)GNSS-ＲTK数据处理

在完成传统的GNSS-ＲTK测量后，将测点导入ArcGIS软件，经过差值运算后得到研究区的DEM数据。

4、数据分析

（1）检核点误差分析

将GNSS-ＲTK平滑测量得到的检核点坐标作为真值，对航测数据进行精度分析，平面及高程精度分析结果见表1。

表1 平面及高程精度对比结果(m)

根据分析结果可知，平面上最大的误差分别为0.020m和0.021m，平均误差分别为0.011m和0.010m，平面检核结果符合规范要求(1∶500比例尺平面精度限差＜0.175m)，平面检核最大误差点为GCP11。

高程最大误差0.131m，平均误差0.063m，高程检核结果符合规范要求(1∶500比例尺高程精度限差＜0.15m)，高程数据检核最大误差点也是GCP11。经现场补充调查，GCP11点周边分布有低矮灌木，因此，造成航测数据与实测数据误差较大。

航测地面检核点精度用ＲMSE表示，ＲMSE可反应出检核点的航测值与真值之间的偏差分布，ＲMSE值越低说明两组数据的偏差越低，数据精度越高。本次航测地面检核点X、Y、Z的ＲMSE值分别为0.0218，0.0241，0.0749。根据航摄成图规范，检核点的ＲMSE值不应大于两倍地面分辨率，本次无人机影像的地面分辨率为0.041m，航测数据X、Y、Z三个方向上的ＲMSE值均小于0.082，满足成图精度要求。

（2）DEM精度分析

本次航测数据经SfM算法处理后得到了研究区DEM，GNSS-ＲTK测量同样可生成一幅DEM。

利用ArcGIS软件，将两幅DEM做减法运算并取其绝对值，得到两幅DEM的差值分布。

将DEM差值分布划分为4个区间(ΔZ＜0.15，0.15＜ΔZ＜0.3，0.3＜ΔZ＜0.5，ΔZ＞0.5)，栅格数据统计如表2所示。

表2 DEM差值分布统计表

经统计，两种测绘方式所得DEM差值小于0.15m的区域占94.38%，差值大于0.15m的区域占5.62%。通过分析图像以及现场调查差值大于0.15m的栅格多分布于地质灾害隐患区附近，尤其是研究区东西两个大于30m的直立边坡(地质灾害隐患区)，差值多在0.5m以上。造成该区域差值较大的原因是:GNSS-ＲTK测量时出于安全考虑并未靠近地质灾害隐患区测点。

（3）地质灾害体信息获取

传统的露天矿山地质灾害的勘查主要靠人员实地调查，存在效率低、危险大等缺点，受安全因素影响，勘查人员难以靠近测量。而无人机技术的应用，丰富了地质灾害勘查的手段，有效解决了这一难题。

在此次监测中，获得DEM与DOM，不仅获得了崩塌体的坐标，还立体测出了各参数(危岩体尺寸、岩体方量等)，为崩塌体稳定性分析提供精确数据。通过无人机DOM解译并结合现场调查，研究区共存在6个崩塌体，典型崩塌体W1及W2见图3。经立体量测得到各崩塌体参数，见表3。

表3崩塌体参数统计

结语

总而言之，大型露天采坑普遍存在地形复杂、地质灾害隐患多等特点，导致传统测绘方式获得的成果难以准确反应出露天矿的地质环境。选择无人机进行地质环境调查，可快速精确获取地质灾害隐患区域的地形数据。同时，生成的DEM可以与DOM结合，清晰地反映出研究区地形、地貌特征及地质灾害体分布，并能准确计量、圈定灾害体参数，相对传统调查手段，表明利用无人机航获得数据精确度高，且大大节省了人力物力，工作效率高，具有重要的应用价值。

参考文献

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