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威特无人机航摄系统在露天矿开采中的应用

序言
近年来随着无人机航测技术的发展,各类无人机平台,航测处理软件的层出不穷,极大的提高了无人机航测的数据精度和用途,拓展了无人机航测的应用领域为各行各业的发展提供了推动作用,矿山测量贯穿于煤矿建设和生产的全过程,如何利用先进的无人机航测技术保证矿石开采安全,提高开采效率,国内外专业人士进行了大量的项目实验。
目前行业大部分利用固定翼无人机对矿区进行测绘,例如拓普康的天狼星固定翼无人机在内蒙古鄂尔多斯市某露天煤矿航测实施。还有一种为多旋翼无人机搭载多镜头倾斜相机对矿区进行三维建模,例如多旋翼无人机搭载六镜头传感器对云南省昆明市滥泥坪铜矿矿区的矿山进行地形测量项目。为了结合以上两种无人机在项目实施中的各自成果优势,同时克服固定翼无人机起降场地寻找困难,降落容易发生危险及多旋翼无人机续航时间短等,本文以一款瑞士进口的垂直起降无人机-威特为飞行平台,并结合山西某露天矿航测项目实例,探讨目前威特无人机航测系统在智慧矿山中的主要应用前景及优势。
飞行平台
威特无人机为瑞士原装进口工业级无人机,其技术先进性在国内外都处于领先地位,其特点主要有安全性、便捷性、专业性、高精度等,在国内外顺利完成多个高难度项目航测项目。
平台特点
1. 垂直起降固定翼-对起飞场地的要求降到了最低(4m²以内即可)结合了固定翼和旋翼无人机的优点,采用精准安全、智能可靠的倾转式切换,使威特无人机自由切换固定翼与多旋翼模式,既能保障飞行安全,又能提高飞行效率。
2. 飞机整机一体成型,机身采用玻璃钢碳纤维,德国进口电机,同时为保证精准降落配备两个高端固态激光雷达测高器。
3. 直角转弯-飞机航线间转弯为直角弯,极大的提升了作业效率减小转弯半径。
4. 多重安全预警系统-拥有风大自动返航、低电量自动返航、超低电量自动垂直降落、通讯失联返航等等安全措施。
5. 配备高精度PPK模块,提高工作效率,降低劳动成本。
数码相机
本项目威特无人机搭载Sony RX1RII高端数码相机,相机安放位置极佳-飞机机身中心部位,免去地面灰尘破坏;无人机为尾座式起降,在固态激光雷达与GPS的双重作用下,自动精准降落,且和地面触碰力极小,很好的保护相机固件;相机经过北京测绘科学研究院检校场检定,获取相机畸变参数(其他固定翼无人机比如开伞降落、俯冲降落或者滑跑降落等相机一般无法检定,因为每次降落相机都会收到较大的震动,使得相机参数变化,根据相关规范要求,相机经过较大震动必须重新检校,获取新的相机参数)。
PPK模块
PPK技术(post processing kinetic)即动态后处理技术,是利用载波相位进行事后差分的GPS定位技术,该系统由基准站和流动站组成。PPK的工作原理:利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量;事后在计算机中利用GPS处理软件进行线性组合,形成虚拟的载波相位观测量值,确定接收机之间厘米级的相对位置;然后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标。
本项目采用中海达V90 GPS作为基站,基站可以任意架设或者架设在已知点上,并测量出基站点的真实WGS84坐标值,设置采样频率为1HZ,采集静态数据;空中移动站采用威特无人机集成的天宝GNSS模块,拥有双频(L1L2)功能,并能接受GPS、GLONASS、BEI DOU、QZSS等卫星信息,移动站拥有非常先进的算法能够补偿拍照时的飞机移动量及像移量,使差分后的相片位置精度达到厘米级。
项目实施
1.概况
本项目位于山西省某露天煤矿,属于大型开采中的矿区,项目测区约为八平方公里,为多边形测区,地势属于丘陵地带,高低落差100m左右,地表植被稀疏,便于进行航空摄影测量。
2.航线设计
为获取更好的航测项目成果,本次我们采用威特飞机自带的Wingtrapolit地面站软件进行航线设计,在地面站导入测区KML范围后,软件会根据已有的SRTM高程数据自动调整航线,让航线随地形起伏,保证整个测区都有一致的GSD即地面分辨率及良好的影像重叠度(对于高程最新变化的采矿区地区禁止使用地形跟随功能,因为SRTM高程数据更新具有时效性),飞行充分利用无人机的智能特性,每个架次让无人机飞至自动返航,然后安装电池无需进行任何操作的进行断点续航功能飞行。本次项目GSD设置为5cm,相对航高为390m,旁向重叠度为70%,航向重叠度为70%,航向方向为东西向。
3.像控布设方案设计及施测
为了保证航测项目的精度和检验威特无人机航测成果质量,本项目采用标准的平高像控点(检查点)布设方案,在根据规范控制测区整体精度的情况下,充分考虑测区地形地貌,测区不少于五个像控点(检查点),同时植被茂密处要加测点,利用测区自建的CORS网进行像控点测量。像控点的样式有很多种,根据内业人员像控点刺点习惯及航测像片不同等,大致分为圆形黑白间隔式、圆形纯色式、十字式、直角喷漆或者白色撒石灰式等,由于测区大部分地区颜色较暗,我们采用直角白色石灰方式,测量直角的内角。
4.成果分析
项目采用PIX4Dmapper软件生成了正射影像图DOM,地面分辨率为5cm,通过正射影像可以详细分析整个矿区开采现状,机械车辆的具体位置,煤矸石、工程渣土排放位置等。下面我们结合相关图片分析总结具体应用。
通过上图我们通过右下角坐标分析可以轻松知道煤矸石排放位置严重超出预先计划的区域范围,青石料同样存在排放位置不达标情况;另外左上角的说明我们可以清晰的分析相关区域的高清图,做精细规划,包括行车路线分析,同时可以进行石料排放位置优化设计,从整个矿区的范围内依据实地情况圈画具体位置,模拟机械车辆运输路径,提高生产效率,做到实时监控,智慧管理。
精度如下分析,我们选取了测区边线点及拐角点作为地面控制点,选取G2、G19等作为检查点,需要说明的是检查点是不参与计算的。我们通过在生成的正射影像上量取上述点位坐标和实地用天宝GPS-RTK测量的坐标进行比对:
根据航空摄影测量规范规定1:500地形图地物点丘陵地带中误差为0.6*500=0.3m,高程中误差为0.5m,而本项目误差0.05m远远小于0.3m,满足相关国家规范要求。
3.2线划图DLG
本项目采用立体量测的方式生成地形图即线划图。地形图作为矿山测量里边的基础图件,对矿山的建设,矿石开采、运输、矿区地貌恢复等拥有特殊的利用价值,主要分为以下几个方面:
(1) 采场验收测量图件。任务是按月测出采剥工程台阶、主要作业机械、运输线路、地质勘探钻孔和井巷、地质素描点等采场内各工程体的位置,并绘制成图;计算采剥量;在采剥工程平(断)面图上量取采剥工程技术指标。
(2)排土场测量。测绘排土场境界内的地形图,掌握排土进度,为规划排土生产提供技术资料。
(3)边帮滑(移)动监测。选择采场边帮滑(移)动有代表性的地块建立边帮观测线,每条观测线由若干控制点和观测点组成; 定期测量各观测点的高程和平面位置;计算出各观测点的水平和竖直变形值,为研究边帮滑(移)动规律和准确预报边帮滑(移)动情况提供可靠资料。
(4)配合其他测量图件进行矿场综合分析。比如DLG&DOM叠加分析既可以充分发挥DLG图件数据的准确性定量性,又可以发挥DOM正射影像图高清图形的定性特点,指导相关分析人员贴近实际情况,做出正确决策,避免纸上空谈的情况发生。
三维模型
为了更好的利用现代航空摄影测量的先进性服务矿区生产建设,本项目充分发挥威特无人机传感器的优秀特性,利用Smart 3D软件对照片进行三维建模,有了三维模型我们可以做如下应用分析
(1)物体坐标距离量测
由于三维模型为带真实地理信息坐标真实纹理的三维模型,我们可以利用相关工具进行坐标量取、距离量测、路径分析等直观方便
(2)土石方计算
在此三维模型上可以进行可视化的土石方计算边界选区,通过模型自有的高程和坐标信息,生成挖填方量,同时可以自动计算所选区域的平均高程或自定义高程。由于模型精度、高程精度、高程点密度都非常高,利用此方法远远优于人工利用常规测量设备计算的土石方量。
(3)边帮、边坡监测,安全评估
本项目三维模型的模型精度非常高,真实纹理达到6cm,这对我们利用三维视角进行边坡、边帮现状分析,探讨由于雨水冲刷震动移动等原因造成边坡出现裂缝,边帮出现位移勾缝点情况进行排查,对位移及裂缝的区域进行定位,量取敏感区域的距离、体积、面积,然后派遣相关人员实地调查。同时测区的渣土排放土方量,排土安全高度、安全坡度等问题都可以在模型上进行相关分析,非常方便且可视化。
航空摄影测量数据综合分析
航空摄影测量获取的点云数据和DSM&DEM数据进行综合分析,利用Global mapperGIS软件进行高度、位置、坡度等分析我们可以对某一边帮或者边坡进行剖面分析,实时,实景、高精度的进行相关数据获取,通过软件我们可以得知测区任意一点的坐标,某A点距离某点B的距离,相应的高度,通过软件剖面工具得到剖面图,我们可以清楚的指导高程变化的幅度,分析边坡的坡度是否安全等,同时可以叠加点云、DOM、DLG数据进行多元数据综合分析,获取任何对我们矿区建设的有利数据。
结束语
本文初步总结了无人机航空摄影测量新技术在矿山开采建设中的应用方向,指出了未来无人机航测在智慧矿山建设中的重要地位,突出了无人机航测成果对矿山监测的重要意义。矿区时时处于开采、建设阶段,地形地貌经常变化,有些坡坎非常陡峭,尤其是雨后矿区非常危险,这些都对传统的测量工作的开展及测量人员造成了极大的困难。无人机航测技术的进步和发展必将逐步取代传统的大范围测量工作,提高工作效率、成果品质和数据精度。无人机平台的快速响应优势,对矿区进行周期性飞行,对每次获取的DOM、DSM数据进行叠加分析,通过加拿大SimActive公司研发的CorRelator3D软件进行变化自动分析,找出发生位移或沉降的位置及变化量,达到快速动态监测的目的,保证矿区安全生产及高效建设,为国家采矿行业做出积极的贡献。

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