無人機在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

1、1,無人機在礦山監(jiān)測中的應(yīng)用,,盧 小 平礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室 （河南理工大學 ，河南省測繪局）NOV 8, 2011Email : hpuluxp@163.com Tel: 0391-3987708,主要內(nèi)容,2,礦山環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)重建的需求無人機低空遙感系統(tǒng)概述礦區(qū)無人機低空遙感應(yīng)用實例礦山監(jiān)測與管理應(yīng)用,1.礦山環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)重建的需求,,3,礦山環(huán)境問題,采礦活動

2、破壞了大量耕地和建設(shè)用地 因采礦及各類廢渣、廢石堆置等，全國累計侵占土地達586萬公頃，破壞森林106萬公頃，破壞草地26．3萬公頃。地表植被破壞和大量堆放的尾礦，導致嚴重的水土流失和土地荒漠化。如準格爾煤田土地沙化面積已占煤田面積的21％。,4,礦山環(huán)境問題,采礦直接誘發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害和次生地質(zhì)災(zāi)害 調(diào)查統(tǒng)計顯示，到2005年底全國礦山開采共引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害12379起，造成4251人死亡，直接經(jīng)濟損失161.6億元。其中，因礦山

3、開采引發(fā)地面塌陷4500多處、地裂縫3000多處、崩塌1000多處。全國因采礦活動形成采空區(qū)面積約80.96萬公頃，引發(fā)地面塌陷面積35.22萬公頃，占壓和破壞土地面積143.9萬公頃。,5,河南省2006年礦山地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計表,礦山環(huán)境問題,廢氣、粉塵、廢渣排放產(chǎn)生大氣污染和酸雨 煤炭采礦行業(yè)廢氣排放量占全國工業(yè)廢氣排放量的5.7％，其中有害物排放量為每年73．13萬噸，主要是煙塵、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳，使礦山地區(qū)遭受不

4、同程度的污染。因二氧化硫污染導致的酸雨區(qū)面積占國土面積30％以上。破壞自然地貌景觀，影響整個地區(qū)環(huán)境的完整性,6,礦山環(huán)境問題,采礦產(chǎn)生各種水環(huán)境問題 采礦使礦區(qū)水均衡遭受破壞，如山西省因采煤造成18個縣26萬人吃水困難，30萬畝水田變成旱地，全省井泉減少3000多處。另據(jù)不完全統(tǒng)計，因廢渣、尾礦造成水體嚴重污染的有色金屬礦山達30多座。,7,礦山環(huán)境問題,8,無人機低空遙感礦山監(jiān)測目標,利用無人機低空遙感技術(shù)，可以在礦山開

5、發(fā)狀況、礦山環(huán)境等多目標遙感調(diào)查與監(jiān)測工作的以下方面發(fā)揮作用:礦產(chǎn)資源開發(fā)狀況調(diào)查 包括礦產(chǎn)開采點位置 (井口位置)、開采狀態(tài)(開采或關(guān)閉)、開采礦種 (煤、鐵…)、開采方式(露天、地下)、占地范圍與土地類型、固體廢棄物堆積范圍和占用土地類型等。,9,無人機低空遙感礦山監(jiān)測目標,礦產(chǎn)資源開發(fā)引發(fā)的災(zāi)害 包括地面沉陷范圍、地裂縫長度、塌陷坑位置、山體陷裂(垮塌)范圍、崩塌位置、滑坡位置、河道淤塞長度 (位置)及煤田(矸石

6、堆)自燃范圍等。礦山生態(tài)環(huán)境信息 包括被破壞的土地范圍、受損植被范圍、粉塵污染范圍、水體污染范圍、荒漠化范圍、土地復墾范圍及礦山環(huán)境治理效果等。,10,UAV遙感平臺,無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)要求（國家測繪局2010發(fā)布）固定翼輕型無人機(Unmanned Air Vehicle ,無人駕駛航空飛行器)為飛行平臺、數(shù)碼相機為信息獲取設(shè)備、能用于測繪成果生產(chǎn)的無人機航攝系統(tǒng)旋翼輕型無人機航攝系統(tǒng)、無人飛艇航攝系統(tǒng),11,,2.無人

7、機低空遙感系統(tǒng)概述,系統(tǒng)基本構(gòu)成,12,,飛行平臺,飛行導航與控制系統(tǒng),地面監(jiān)控系統(tǒng),任務(wù)設(shè)備,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),發(fā)射與回收系統(tǒng),野外保障裝備,系統(tǒng)構(gòu)成,附設(shè)設(shè)備,2.1 無人機攝影測量(UAV),13,需求驅(qū)動作為城市精細三維數(shù)據(jù)獲取的主要來源之一,大比例尺、高分辨率的航空遙感影像需求日趨顯著?，F(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然能夠獲取大區(qū)域的空間地理信息,但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響,遙感數(shù)據(jù)分辨率和時相難以保證。載人飛機航空遙感受

8、空域管制、氣候等因素的影響較大,缺乏機動快速能力,同時使用成本較高,因此在滿足精細城市三維信息獲取的要求方面存在局限。,技術(shù)驅(qū)動 UAV遙感平臺的出現(xiàn)為地理國情監(jiān)測及應(yīng)急指揮需求，提供了一種新的技術(shù)途徑。UAV無人駕駛,由地面遙控站通過無線電通信控制飛機的起飛、到達指定空域、實行遙感操作、以及返回遙控站降落等操作?？蓪崿F(xiàn)危險區(qū)域圖像的實時獲取、空中偵察與目標搜索、環(huán)境監(jiān)測、海區(qū)巡視、救援指揮、有毒污染地區(qū)空中監(jiān)測等多種載人機無法

9、完成或不易完成的任務(wù)。,14,2.1 無人機攝影測量(UAV),2.2 無人機攝影測量的優(yōu)勢與不足,優(yōu)勢具有機動性、靈活性和安全性分辨率高、多角度（視角）性能優(yōu)異低成本不足像幅小基高比小姿態(tài)不穩(wěn)定非專業(yè)相機,15,,優(yōu)勢：具有機動性、靈活性和安全性,無需專用起降場地，升空準備時間短、容易操控，特別適合在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復雜地區(qū)以及南方丘陵、多云地區(qū)應(yīng)用。能夠在危險和惡劣環(huán)境下(如森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等)直接獲

10、取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，發(fā)生墜機也無人身傷害。,優(yōu)勢：分辨率高、多角度,數(shù)碼成像設(shè)備具備垂直與傾斜攝影能力，可低空多角度攝影獲取建筑物側(cè)面的紋理信息，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影遇到的高層建筑遮擋問題?？臻g分辨率能達到分米甚至厘米級，可用于構(gòu)建高精度數(shù)字地面模型及三維立體景觀圖的制作。,優(yōu)勢： 性能優(yōu)異,可按預定航線在航高50米到1000米范圍內(nèi)自主飛行、拍攝，飛行高度控制精度達到10米。在陰云下飛行也可獲取光學影像，且逼真度超

11、過雷達影像（即不受高度限制，不受山區(qū)低云的影響）。,優(yōu)勢：低成本,UAV系統(tǒng)及傳感器成本遠遠低于與其它遙感系統(tǒng)，一般的單位和個人都有能力負擔。對數(shù)據(jù)后處理設(shè)備要求不高、費用低，不需要像傳統(tǒng)航攝測量那樣需配置專用的數(shù)字化處理設(shè)備。,存在的不足,像幅小、基高比小相同的重疊度情況下，需要更多的控制點。姿態(tài)不穩(wěn)定旋偏角、俯仰、滾動，甚至導致連接有問題。非專業(yè)可量測相機 光敏度、像點位移、鏡頭畸變、其它未知的系統(tǒng)誤差。,3.

12、無人機航攝實例 —潞安礦區(qū),確定拍攝范圍相機幾何定標航線設(shè)計控制點布設(shè)影像數(shù)據(jù)處理,航攝參數(shù),飛行區(qū)域：10 km2飛行高度：航高500m使用相機：EOS 5D Mark II航飛時間：2010.09天氣狀況：晴朗,拍攝范圍,23,測區(qū)地形,測區(qū)位于丘陵山地間的一塊小平原上，平均海拔高程為890m，最大高差約100m，適合無人低空航攝。,24,相機檢校參數(shù)（像素坐標：原點在影像的左上角）,,航線設(shè)計,根據(jù)kappa角

13、的變化劃分航帶，自動去掉航帶之間轉(zhuǎn)向部分影像后生成航帶。,垂直攝影11條航線，每條航線拍攝26張，共計286張相片。 傾斜400攝影22條航線，每條航線獲取26張相片，共計572張相片。,,航攝成果（1） 垂直攝影,27,,28,北,航攝成果之（2） 傾斜攝影,,29,北,傾斜攝影,,局部影像,垂直向下,30,由北向南,由南向北,像片控制點布設(shè)與施測,像控點布設(shè),31,,像控點測量,布設(shè)數(shù)量：300測量方式：GPS-RTK,影像處

14、理與制圖,,,基于SIFT特征與最小二乘的影像自動匹配,基于SIFT算法的特征提取 SIFT（Scale Invariant Feature Transformation）即尺度不變特征變換，分四個步驟：①尺度空間建立；②特征點定位；③特征點主角度計算；④特征描述子計算?；诰嘏c馬氏距離特征點匹配構(gòu)建一個從小區(qū)域到大范圍的特征點匹配過程。最小二乘匹配 是一種基于灰度的匹配方法，可以達到1/10~1/100像素的精度，被稱為

15、“高精度圖像匹配”。使用該算法目的是以進一步在基于特征匹配的基礎(chǔ)上提高單點的匹配精度。,33,基于SIFT特征與最小二乘的影像自動匹配,34,,,35,錯誤點,光束法空中三角測量,利用附加參數(shù)的系統(tǒng)誤差自檢校 采用若干附加參數(shù)描述的系統(tǒng)誤差模型，在區(qū)域網(wǎng)平差的同時解求這些附加參數(shù)，達到自動測定和消除系統(tǒng)誤差目的。自檢校模型Lens Distortion Model (2)Bauer’s Simple Model (3)J

16、acobsen’s Simple Model (4)Ebner’s Orthogonal Model (12)Brown’s Physical Model (14),36,,空三加密精度分析,37,無錯誤檢查時：,錯誤檢查后（Time Saving Robust Checking）：,,附加參數(shù)的系統(tǒng)誤差自檢校精度分析,38,DEM和DOM生成與鑲嵌,,傾斜影像圖,,40,,41,,42,,43,4. 地理礦情監(jiān)測應(yīng)用,數(shù)字礦山建設(shè)

17、礦產(chǎn)資源監(jiān)測村莊壓占拆遷快速測量與評估礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測礦區(qū)災(zāi)害應(yīng)急救援指揮,4.1 數(shù)字礦山建設(shè),數(shù)字礦山建設(shè)是礦山信息化管理的重要手段,它的建設(shè)需要基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù), 包括遙感影像、地形圖和DEM數(shù)據(jù)等。 隨著礦山建設(shè)飛速發(fā)展，需要及時地不斷更新基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。,44,4.1 數(shù)字礦山建設(shè),目前礦山企業(yè)主要是采用常量測量手段, 周期長, 費用高, 難以適應(yīng)數(shù)字礦山建設(shè)需求。多數(shù)礦山在偏僻山區(qū), 不適宜大飛機作業(yè) 。無人機

18、可以彌補上述不足，可隨時獲取動態(tài)變化數(shù)據(jù),滿足數(shù)字礦山建設(shè)的需求。,45,4.2 礦產(chǎn)資源監(jiān)測,由于礦山資源的稀缺性和不可再生的特點, 出現(xiàn)了多起亂采、亂挖礦山的現(xiàn)象, 特別是有一些無證開采的礦山靠人力監(jiān)管已經(jīng)無能為力, 需要高科技的手段才能有效管理。,46,4.2 礦產(chǎn)資源監(jiān)測,利用無人機技術(shù)可以實現(xiàn)空中監(jiān)視，無需到達目標區(qū)即可取證, 可以有效地實現(xiàn)監(jiān)管, 有力地打擊違法開采資源的活動。,47,甘肅酒泉鐵銅多金屬礦區(qū)鐵礦無證開采點,生

19、產(chǎn)監(jiān)督、管理與土地復墾,內(nèi)蒙古準格爾旗黑岱溝整治區(qū)關(guān)閉一批煤礦,48,4.3 村莊壓占拆遷快速測量與評估,礦山建設(shè)發(fā)展過程中，需要對礦井周邊原有居民地等地面建（構(gòu)）筑物進行調(diào)查，測算征遷補償費用。這一工作任務(wù)重，尤其是進入居民區(qū)，容易引起民心恐慌，激化企業(yè)與地方矛盾，導致影響地表附屬物的調(diào)查結(jié)果與質(zhì)量，不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，更不利于礦業(yè)集團公司發(fā)展戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施。因此摸清查準地表附屬物的補償數(shù)量與結(jié)構(gòu)，對于精確測算補償費用，切實維護

20、當?shù)卣?、農(nóng)民與企業(yè)的利益，意義十分重大。通過采用傳統(tǒng)的拆遷測量方式進行地表附屬物的面積及結(jié)構(gòu)統(tǒng)計顯然不能有效滿足礦業(yè)集團這一特殊需要。,49,4.3 村莊壓占拆遷快速測量與評估,利用無人機對礦區(qū)村莊壓占擬拆遷房屋進行航空攝影測量，可以快速獲取拆遷的全部建筑物的真實影像信息，為制定拆遷補償與評估、有效解決拆遷補償糾紛提供第一手的翔實資料。,50,4.4 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測,地下開采活動對地表建(構(gòu))筑物、地形與地貌、耕地與植被、景觀等生態(tài)

21、環(huán)境產(chǎn)生了巨大影響, 帶來諸如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、地表水系破壞、耕地沙化、農(nóng)田減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)等一系列災(zāi)難性的后果。,51,4.4 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測,利用無人機低空遙感技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷擾動范圍、矸石山壓占面積，對地表沉陷控制模式及生態(tài)景觀保護與重建具有重要意義。,52,地裂縫與地面沉陷解譯,貴州省水城煤田大灣礦區(qū)潛在滑坡體,,53,4.5 礦區(qū)災(zāi)害應(yīng)急救援指揮中的應(yīng)用,54,無人機航空遙感系統(tǒng)具有實時性強、機動快速、影像分辨率

22、高、經(jīng)濟快捷的特點，能夠在高危地區(qū)作業(yè), 可在礦區(qū)災(zāi)害應(yīng)急救援指揮中發(fā)揮重要作用。無人機在災(zāi)害救助領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。災(zāi)前預警期間可以在高風險地區(qū)航拍獲取災(zāi)前地面影像資料；為災(zāi)中應(yīng)急調(diào)查和快速評估期間,可以獲取百公里級受災(zāi)區(qū)域影像資料, 擴大災(zāi)害調(diào)查范圍, 提高災(zāi)害監(jiān)測能力; 災(zāi)后恢復重建和損失評估期間, 通過航拍可進行災(zāi)后恢復重建選址、規(guī)劃、進度調(diào)查和監(jiān)測, 以及進行災(zāi)情總體評估和專項評估。,4.5 礦區(qū)災(zāi)害應(yīng)急救援指揮中的應(yīng)用,

23、為更大程度地發(fā)揮無人機在礦區(qū)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測中的作用，推進無人機災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測、服務(wù)保障的發(fā)展, 建立并完善“礦山災(zāi)害應(yīng)急無人機監(jiān)測系統(tǒng)”, 形成穩(wěn)定的災(zāi)害監(jiān)測無人機“數(shù)據(jù)采集--分析決策”良性發(fā)展模式, 是開展災(zāi)害應(yīng)急救助工作的重要手段之一。,55,4.6 發(fā)展方向與應(yīng)用前景,國產(chǎn)無人機目前存在的主要問題有效載荷還比較小缺少與之配套的專用傳感器主要使用數(shù)碼相機，其他傳感器較少操控復雜，飛行控制系統(tǒng)有待進一步完善尚未形成成熟的

24、商用數(shù)據(jù)處理軟件市場比較混亂且沒有準入制度，熟練操控手嚴重不足缺乏統(tǒng)一的國家標準 以及相應(yīng)的管理機制,56,4.6 發(fā)展方向與應(yīng)用前景,發(fā)展方向應(yīng)用前 硬件方面飛行平臺：電池驅(qū)動及太陽能；載荷更大（幾十公斤）， 可搭載多種類型的傳感器如多光譜、熱紅外、雷達等；飛控系統(tǒng)：智能化導航系統(tǒng)，操控簡單易掌握。 軟件方面數(shù)據(jù)預處理：影像自動檢查、噪聲剔除等軟件的研發(fā)；數(shù)據(jù)后處理及應(yīng)用軟件：影像拼接、自動空