无人机在矿山监测中的应用

无人机在矿山监测中的应用卢小平矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室

（河南理工大学，河南省测绘局）NOV8,2011Email:hpuluxp@163.comTel在是1页\一共有58页\编辑于星期三主要内容矿山环境监测与生态重建的需求无人机低空遥感系统概述矿区无人机低空遥感应用实例矿山监测与管理应用2现在是2页\一共有58页\编辑于星期三1.矿山环境监测与生态重建的需求3现在是3页\一共有58页\编辑于星期三矿山环境问题采矿活动破坏了大量耕地和建设用地因采矿及各类废渣、废石堆置等，全国累计侵占土地达586万公顷，破坏森林106万公顷，破坏草地26．3万公顷。地表植被破坏和大量堆放的尾矿，导致严重的水土流失和土地荒漠化。如准格尔煤田土地沙化面积已占煤田面积的21％。4现在是4页\一共有58页\编辑于星期三矿山环境问题采矿直接诱发了地质灾害和次生地质灾害

调查统计显示，到2005年底全国矿山开采共引发地质灾害12379起，造成4251人死亡，直接经济损失161.6亿元。其中，因矿山开采引发地面塌陷4500多处、地裂缝3000多处、崩塌1000多处。全国因采矿活动形成采空区面积约80.96万公顷，引发地面塌陷面积35.22万公顷，占压和破坏土地面积143.9万公顷。河南省2006年矿山地质灾害统计表5现在是5页\一共有58页\编辑于星期三

矿山环境问题废气、粉尘、废渣排放产生大气污染和酸雨

煤炭采矿行业废气排放量占全国工业废气排放量的5.7％，其中有害物排放量为每年73．13万吨，主要是烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳，使矿山地区遭受不同程度的污染。因二氧化硫污染导致的酸雨区面积占国土面积30％以上。破坏自然地貌景观，影响整个地区环境的完整性6现在是6页\一共有58页\编辑于星期三

矿山环境问题采矿产生各种水环境问题

采矿使矿区水均衡遭受破坏，如山西省因采煤造成18个县26万人吃水困难，30万亩水田变成旱地，全省井泉减少3000多处。另据不完全统计，因废渣、尾矿造成水体严重污染的有色金属矿山达30多座。7现在是7页\一共有58页\编辑于星期三矿山环境问题8现在是8页\一共有58页\编辑于星期三无人机低空遥感矿山监测目标

利用无人机低空遥感技术，可以在矿山开发状况、矿山环境等多目标遥感调查与监测工作的以下方面发挥作用:矿产资源开发状况调查

包括矿产开采点位置(井口位置)、开采状态(开采或关闭)、开采矿种(煤、铁…)、开采方式(露天、地下)、占地范围与土地类型、固体废弃物堆积范围和占用土地类型等。9现在是9页\一共有58页\编辑于星期三无人机低空遥感矿山监测目标矿产资源开发引发的灾害

包括地面沉陷范围、地裂缝长度、塌陷坑位置、山体陷裂(垮塌)范围、崩塌位置、滑坡位置、河道淤塞长度(位置)及煤田(矸石堆)自燃范围等。矿山生态环境信息

包括被破坏的土地范围、受损植被范围、粉尘污染范围、水体污染范围、荒漠化范围、土地复垦范围及矿山环境治理效果等。10现在是10页\一共有58页\编辑于星期三UAV遥感平台无人机航摄系统技术要求（国家测绘局2010发布）固定翼轻型无人机(UnmannedAirVehicle,无人驾驶航空飞行器)为飞行平台、数码相机为信息获取设备、能用于测绘成果生产的无人机航摄系统旋翼轻型无人机航摄系统、无人飞艇航摄系统2.无人机低空遥感系统概述11现在是11页\一共有58页\编辑于星期三系统基本构成飞行平台飞行导航与控制系统地面监控系统任务设备数据传输系统发射与回收系统野外保障装备系统构成附设设备12现在是12页\一共有58页\编辑于星期三2.1无人机摄影测量(UAV)需求驱动作为城市精细三维数据获取的主要来源之一,大比例尺、高分辨率的航空遥感影像需求日趋显著。现有的卫星遥感技术虽然能够获取大区域的空间地理信息,但受回归周期、轨道高度、气象等因素影响,遥感数据分辨率和时相难以保证。载人飞机航空遥感受空域管制、气候等因素的影响较大,缺乏机动快速能力,同时使用成本较高,因此在满足精细城市三维信息获取的要求方面存在局限。13现在是13页\一共有58页\编辑于星期三技术驱动UAV遥感平台的出现为地理国情监测及应急指挥需求，提供了一种新的技术途径。UAV无人驾驶,由地面遥控站通过无线电通信控制飞机的起飞、到达指定空域、实行遥感操作、以及返回遥控站降落等操作。可实现危险区域图像的实时获取、空中侦察与目标搜索、环境监测、海区巡视、救援指挥、有毒污染地区空中监测等多种载人机无法完成或不易完成的任务。2.1无人机摄影测量(UAV)14现在是14页\一共有58页\编辑于星期三2.2无人机摄影测量的优势与不足优势具有机动性、灵活性和安全性分辨率高、多角度（视角）性能优异低成本不足像幅小基高比小姿态不稳定非专业相机15现在是15页\一共有58页\编辑于星期三优势：具有机动性、灵活性和安全性无需专用起降场地，升空准备时间短、容易操控，特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区以及南方丘陵、多云地区应用。能够在危险和恶劣环境下(如森林火灾、火山爆发等)直接获取影像，即便是设备出现故障，发生坠机也无人身伤害。现在是16页\一共有58页\编辑于星期三优势：分辨率高、多角度数码成像设备具备垂直与倾斜摄影能力，可低空多角度摄影获取建筑物侧面的纹理信息，弥补了卫星遥感和普通航空摄影遇到的高层建筑遮挡问题。空间分辨率能达到分米甚至厘米级，可用于构建高精度数字地面模型及三维立体景观图的制作。现在是17页\一共有58页\编辑于星期三优势：性能优异可按预定航线在航高50米到1000米范围内自主飞行、拍摄，飞行高度控制精度达到10米。在阴云下飞行也可获取光学影像，且逼真度超过雷达影像（即不受高度限制，不受山区低云的影响）。现在是18页\一共有58页\编辑于星期三优势：低成本UAV系统及传感器成本远远低于与其它遥感系统，一般的单位和个人都有能力负担。对数据后处理设备要求不高、费用低，不需要像传统航摄测量那样需配置专用的数字化处理设备。现在是19页\一共有58页\编辑于星期三存在的不足像幅小、基高比小 相同的重叠度情况下，需要更多的控制点。姿态不稳定 旋偏角、俯仰、滚动，甚至导致连接有问题。非专业可量测相机

光敏度、像点位移、镜头畸变、其它未知的系统误差。现在是20页\一共有58页\编辑于星期三

3.无人机航摄实例—潞安矿区确定拍摄范围相机几何定标航线设计控制点布设影像数据处理现在是21页\一共有58页\编辑于星期三航摄参数飞行区域：10km2飞行高度：航高500m使用相机：EOS5DMarkII航飞时间：2010.09天气状况：晴朗现在是22页\一共有58页\编辑于星期三拍摄范围23现在是23页\一共有58页\编辑于星期三测区地形测区位于丘陵山地间的一块小平原上，平均海拔高程为890m，最大高差约100m，适合无人低空航摄。24现在是24页\一共有58页\编辑于星期三

相机检校参数（像素坐标：原点在影像的左上角）主点x02111.1586主点y01446.3661焦距f4675.8297径向畸变系数k10.000000005103349760径向畸变系数k2-0.000000000000000217偏心畸变系数

p10.000000028772388976偏心畸变系数p2-0.000000022685532581CCD非正方形比例系数α-0.000202395822CCD非正交性畸变系数β0.000054488146

现在是25页\一共有58页\编辑于星期三

航线设计根据kappa角的变化划分航带，自动去掉航带之间转向部分影像后生成航带。

垂直摄影11条航线，每条航线拍摄26张，共计286张相片。

倾斜400摄影22条航线，每条航线获取26张相片，共计572张相片。现在是26页\一共有58页\编辑于星期三

航摄成果（1）垂直摄影27现在是27页\一共有58页\编辑于星期三北航摄成果之（2）倾斜摄影28现在是28页\一共有58页\编辑于星期三北倾斜摄影29现在是29页\一共有58页\编辑于星期三局部影像垂直向下由北向南由南向北30现在是30页\一共有58页\编辑于星期三像片控制点布设与施测像控点布设像控点测量布设数量：300测量方式：GPS-RTK31现在是31页\一共有58页\编辑于星期三

影像处理与制图现在是32页\一共有58页\编辑于星期三基于SIFT特征与最小二乘的影像自动匹配基于SIFT算法的特征提取

SIFT（ScaleInvariantFeatureTransformation）即尺度不变特征变换，分四个步骤：①尺度空间建立；②特征点定位；③特征点主角度计算；④特征描述子计算。基于矩与马氏距离特征点匹配构建一个从小区域到大范围的特征点匹配过程。最小二乘匹配

是一种基于灰度的匹配方法，可以达到1/10~1/100像素的精度，被称为“高精度图像匹配”。使用该算法目的是以进一步在基于特征匹配的基础上提高单点的匹配精度。33现在是33页\一共有58页\编辑于星期三基于SIFT特征与最小二乘的影像自动匹配34现在是34页\一共有58页\编辑于星期三错误点35现在是35页\一共有58页\编辑于星期三光束法空中三角测量利用附加参数的系统误差自检校

采用若干附加参数描述的系统误差模型，在区域网平差的同时解求这些附加参数，达到自动测定和消除系统误差目的。自检校模型LensDistortionModel(2)Bauer’sSimpleModel(3)Jacobsen’sSimpleModel(4)Ebner’sOrthogonalModel(12)Brown’sPhysicalModel(14)36现在是36页\一共有58页\编辑于星期三空三加密精度分析名称RMSE单位总体误差4.4735像素控制点大地误差X=0.3507,Y=0.3559,Z=0.8043m控制点像元误差x=3.0490,y=4.2367像素检查点大地误差X=0.9129,Y=0.2232,Z=2.2616m无错误检查时：错误检查后（TimeSavingRobustChecking）：名称RMSE单位总体误差0.8106像素控制点大地误差X=0.1147,Y=0.0741,Z=0.3456m控制点像元误差x=0.8644,y=0.8979像素检查点大地误差X=0.1273,Y=0.1618,Z=0.2596m37现在是37页\一共有58页\编辑于星期三附加参数的系统误差自检校精度分析检校模型总体误差，单位（pixel）

无0.8106LensDistortionModel(2)0.8101Bauer’sSimpleModel(3)0.8087Jacobsen’sSimpleModel(4)0.8084Ebner’sOrthogonalModel(12)0.8043Brown’sPhysicalModel(14)0.803138现在是38页\一共有58页\编辑于星期三DEM和DOM生成与镶嵌现在是39页\一共有58页\编辑于星期三倾斜影像图40现在是40页\一共有58页\编辑于星期三41现在是41页\一共有58页\编辑于星期三42现在是42页\一共有58页\编辑于星期三4.地理矿情监测应用数字矿山建设矿产资源监测村庄压占拆迁快速测量与评估矿区地质灾害监测矿区灾害应急救援指挥43现在是43页\一共有58页\编辑于星期三4.1数字矿山建设数字矿山建设是矿山信息化管理的重要手段,它的建设需要基础地理信息数据,包括遥感影像、地形图和DEM数据等。

随着矿山建设飞速发展，需要及时地不断更新基础地理数据。44现在是44页\一共有58页\编辑于星期三4.1数字矿山建设目前矿山企业主要是采用常量测量手段,周期长,费用高,难以适应数字矿山建设需求。多数矿山在偏僻山区,不适宜大飞机作业

。无人机可以弥补上述不足，可随时获取动态变化数据,满足数字矿山建设的需求。45现在是45页\一共有58页\编辑于星期三4.2矿产资源监测由于矿山资源的稀缺性和不可再生的特点,出现了多起乱采、乱挖矿山的现象,特别是有一些无证开采的矿山靠人力监管已经无能为力,需要高科技的手段才能有效管理。

46现在是46页\一共有58页\编辑于星期三4.2矿产资源监测利用无人机技术可以实现空中监视，无需到达目标区即可取证,可以有效地实现监管,有力地打击违法开采资源的活动。甘肃酒泉铁铜多金属矿区铁矿无证开采点

47现在是47页\一共有58页\编辑于星期三生产监督、管理与土地复垦内蒙古准格尔旗黑岱沟整治区关闭一批煤矿48现在是48页\一共有58页\编辑于星期三4.3村庄压占拆迁快速测量与评估矿山建设发展过程中，需要对矿井周边原有居民地等地面建（构）筑物进行调查，测算征迁补偿费用。这一工作任务重，尤其是进入居民区，容易引起民心恐慌，激化企业与地方矛盾，导致影响地表附属物的调查结果与质量，不利于企业的可持续发展，更不利于矿业集团公司发展战略的稳步实施。因此摸清查准地表附属物的补偿数量与结构，对于精确测算补偿费用，切实维护当地政府、农民与企业的利益，意义十分重大。通过采用传统的拆迁测量方式进行地表附属物的面积及结构统计显然不能有效满足矿业集团这一特殊需要。49现在是49页\一共有58页\编辑于星期三4.3村庄压占拆迁快速测量与评估利用无人机对矿区村庄压占拟拆迁房屋进行航空摄影测量，可以快速获取拆迁的全部建筑物的真实影像信息，为制定拆迁补偿与评估、有效解决拆迁补偿纠纷提供第一手的翔实资料。50现在是50页\一共有58页\编辑于星期三4.4矿区地质灾害监测地下开采活动对地表建(构)筑物、地形与地貌、耕地与植被、景观等生态环境产生了巨大影响,带来诸如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、地表水系破坏、耕地沙化、农田减产甚至绝产等一系列灾难性的后果。51现在是51页\一共有58页\编辑于星期三4.4矿区地质灾害监测利用无人机低空遥感技术监测矿区地表沉陷扰动范围、矸石山压占面积，对地表沉陷控制模式及生态景观保护与重建具有重要意义。地裂缝与地面沉陷解译52现在是52页\一共有58页\编辑于星期三贵州省水城煤田大湾矿区潜在滑坡体53现在是53页\一共有58页\编辑于星期三4.5矿区灾害应急救援指挥中的应用无人机航空遥感系统具有实时性强、机动快速、影像分辨率高、经济快捷的特点，能够在高危地区作业,可在矿区灾害应急救援指挥中发挥重要作用。无人机在灾害救助领域具有广泛应用前景。灾前预警期间可以在高风险地区航拍获取灾前地面影像资料；为灾中应急调查和快速评估期间,可以获取百公里级受灾区域影像资料,扩