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摘要 ：矿产资源是我国经济发展的重要支柱，如何精确、高 效且经济地进行矿山开采和监测具有重要的意义。由于无人机 测量技术具有高空间分辨率、低成本和传感器集成的灵活性， 在 矿山开采和监测管理中具有越来越重要的价值。本文首先分析 目前无人机的多种传感器， 并通过将矿山开发过程分为勘探、开 采和复垦三个阶段，深入挖掘无人机技术在矿山行业中的应用 前景。结果发现，基于无人机测量技术通过遥感、空中地球物理 调查、地形测量、岩石边坡分析以及地面沉降监测等方式进行矿山开采和监测管理，将明显提高矿山行业领域的生产力和经济 效益。
矿产资源是人类社会赖以生存的重要物质基础，是国家发 展的重要支撑。近年来，无人机被广泛用于各个行业中，如安全 检查、施工现场管理、监控基础设施，作物监测、侵入性杂草测 绘、水环境分析、土地利用分类、应急监测等。随着矿产行业的 发展以及对高效率、高精度、高经济性矿山区域管理的要求，无 人机遥感技术在矿山开采和监测中发挥着越来越重要的作用。
采矿过程的各个阶段可分为勘探、开采和复垦。在勘探阶 段，需要由地质学家、矿物学家和地球物理学家等地球科学专家 确定矿化目标，然后在矿产开采阶段，建设矿产生产基础设施， 利用重型设备开采矿石材料。最后，在复垦阶段，将所有不良材 料，如废物、尾矿和污染的表层土，从矿区清除，并在地下区域 适当填充岩石材料。由于无人机可以配备光学设备、覆盖不同电 磁波谱范围的摄像机以及地球物理仪器，如磁性和自然伽马射 线传感器， 因此， 无人机遥感技术可以用于矿山开采和监测中的 各个环节，如地质地形测绘、矿产储量估算，以及与斜坡安全、 道路运输和尾矿坝相关的监测。
本文将无人机在整个采矿过程中的应用分为勘探、开采和 复垦三个阶段，对无人机遥感技术在矿山行业中的应用进行系 统的分析和总结，探究无人机遥感技术在矿山开采和监测管理 中传感器的类型选择及各个阶段的具体应用前景。
1 无人机传感器概述
无人机数据集通常被认为是带有 RGB 摄像头的无人机拍 摄，而在考虑专业应用时，有广泛的传感器可以选择。许多用于 空中和卫星平台的遥感仪器现在也应用于无人机平台，如多光 谱、高光谱、短 / 中波范围相机和激光雷达。了解这些传感器的 特性及其规格可以更好地为工程师和科学家在进行遥感应用时 提供信息。传感器主要分为以下 5 种类型 ：
1.1 轻型 RGB 相机
大部分安装在无人机上的相机，都集成了导航传感器，如 GPS/IMU，这是无人机测量系统的重要组成部分。通过高度设 计的系统，传感器的集成变得简单，成本也得到降低，现在无人 机已经出现在娱乐用途中(如大疆无人机)。与其他类型的传感 器相比，市场上有广泛的RGB 相机，对于不同的应用，选择安 装在无人机上的合适的RGB 摄像头是成功的关键。
选择RGB 相机需要考虑的主要参数包括 ：相机镜头(更好 的镜头有更少的几何失真)，相机分辨率和电荷耦合器件 / 互补 金属氧化物半导体芯片(像素大小和噪声水平)。高质量的相机 确保了良好的摄影测量产品和低信号 / 噪声比数据，以用于遥 感数据分析(如图像分割和分类)。一般来说，许多遥感应用仍 然依赖于基于RGB 相机的产品(例如，矿区正射影像和DSM)， 如树冠检测分析、植被生长监测和局部规模的变化分析。
1.2 轻型多光谱相机
多光谱相机是除RGB 相机外最常用的传感器，因为它们的 优势是可以以较高的分辨率获取植被的红外和近红外波段的光 谱信息。虽然 RGB 摄像机能够提供与植被相关的信息，如，用 于植被分析的归一化绿度指数。然而， 它们对植被叶绿素水平的 光谱敏感性有限， 无法进行更复杂的分析， 如植物健康量化和疾 病检测。近红外摄像机(如佳能PowerShotSX260) 可用于计算植 被指数， 如归一化植被指数， 绿色归一化植被指数和增强归一化 植被指数。
除了正常的RGB 波段外，安装在无人机上的多光谱相机可 能包含多达十多个波段。同样， 这种多光谱相机可以使用摄影测 量方法轻松处理，并输出标准正射影像和DSM。基于无人机的 多光谱传感器一个优点是数据具有更高的分辨率(优于 30 厘米 地面采样距离)，这在传统的多光谱遥感中通常无法实现。而这 也会推动农业和水质评估方面的研究发展，如植被病虫害评估 和藻华研究。
与RGB 相机不同，多光谱相机的成本更高，因为额外的硬 件需要连接额外的波段，而且由于多光谱相机主要用于植被和 农业专业人员，多光谱相机可用产品的数量远少于RGB 相机。 由于市场仍然相对较小，各种制造商生产多光谱相机图像在不 同格式，数据处理流程，特别是处理数据预处理(例如，摄影测 量)，相对局限于某些多光谱相机模型，因此，某些多光谱相机 模型有着良好的发展趋势， 数据将变得标准化， 更容易处理。
1.3 轻型高光谱相机
遥感中的高光谱相机功能非常强大，但由于其成本高和传感器与无人机的兼容性限制， 它们相对不容易生产。为了捕捉具 有数百个波段(5-10nm 带宽) 的图像，目前大多数高光谱传感器 都是线性阵列相机。毫无疑问， 高光谱传感器捕获如此高量的信 息对于许多应用都非常有用，而高光谱传感器的设计也有一定 的局限性 ：(1) 高光谱分辨率牺牲空间分辨率，空间分辨率通常 低于同等规格的RGB 相机 ;(2)线性阵列传感模型虽然在数学上 得到了很好的解释， 但由于传感器制造商提供的元数据有限， 实 际处理起来很复杂 ;(3) 由于有效载荷的限制，与机载高光谱相 机相比，轻型高光谱相机通常具有一半的光谱范围(400-1100nm 或 1100-2500nm)，这意味着如果需要更宽的光谱范围，则需要 两个或更多相机。
局限性 (1)对于基于无人机的高光谱相机来说是可以解决的 问题，因为在飞行设计中做了修改，即降低飞行高度和调整焦 距，并且以有限的地面覆盖为代价，获取厘米级分辨率的图像。 局限性 (2)在基于无人机的高光谱相机中较难解决，因为不同的 制造商遵循自己的标准，通常他们只希望用户使用机载 GPS/ IMU 信息粗略地理参考的未失真图像。当专家使用相机进行精 确的地理参考时， 技术将变得复杂， 例如调整观察数据以具有每 条扫描线的方向，以便将它们投影到当前可用的高精度产品(例 如DSM)。当有多个航带获取不同光谱带的信息时，航带之间的 准确配准就变得很有必要。高光谱信息与其他模态数据(例如使 用DSM 获得的数据) 相结合，可用于农业应用中更准确地分类 和植物物候学， 将具有更高的空间 / 时间分辨率。
1.4 轻型热红外传感器
热红外传感器作为一种中红外传感器(波长在 3~35µm)，广 泛应用于各种表面温度和热发射测量。对于无人机机载传感器， 大气影响是可以忽略的， 实验室级的校准更容易， 温度测量在理 论上更准确。然而，考虑到有效载荷有限，轻型热红外传感器通 常不配备冷却的探测器， 从而导致较低的数据获取率， 较低的空 间分辨率和较低的灵敏度。低飞行高度带来的无人机载传感器 数据的分辨率优势仍然增加了热像仪对人体、消防中心和管道 泄漏检测等小物体精确量化的能力。由于温度是高度动态的， 热 传感器经常被用于实时检测。另一方面， 当与其他传感器集成以 获取来自其他光谱范围(即可见波段和高光谱波段) 的信息时， 可以用于遥感和地图绘制，热红外数据也用于各种农业和环境 应用。例如， 针对精确农业的作物生物物理参数估计和使用基于 无人机的热敏摄像机在更精细的空间尺度上估计水分蒸发，可 以用于水资源管理。
从理论上讲，热像仪的几何模型与普通相机完全相同。另一 方面，热红外影像通常比RGB 影像有更少的纹理，并且由于缺 乏控制点，来自运动过程的现代摄影测量 / 结构可能会失败。因 此，当涉及相机的几何方面时，建议将RGB 相机相对于热像仪 进行标定， 方便后续恢复热像仪位姿。
1.5 轻型无人机激光雷达
激光雷达传感器已被认为是最精确的几何数据采集方法之 一。机载、移动和地面激光雷达已广泛应用于林业、文化遗产、建筑信息建模， 目前在学术界和工业界都得到了广泛的应用。与 摄影测量相比， 它们的优势在于它们的可靠性高， 并且能够穿透 稀薄的森林。然而， 作为一种高度依赖于主机平台直接定位精度 的传感器， 与无人机摄影测量相比， 无人机载激光雷达的发展还 处于初级阶段。无人机平台上的 GPS/IMU传感器在传感器分辨 率方面往往不准确，而且该平台在飞行时也更加不稳定。因此， 即使使用校准好的轻型激光雷达传感器，所获得的点云精度也 相对较低。高精度无人机载LiDAR 系统通常带有差分 GPS站系 统，其中除了高精度之外还可以获得准确的 IMU 测量。即使是 那些成本相对较低的激光雷达传感器传感器，仍然比RGB 相机 高出一个数量级，并且需要更高的有效载荷(高达几公斤)。因 此，在成本和集成所需的传感器方面， 无人机激光雷达系统还不 能像基于无人机的摄影测量制图系统那样容易实现。尽管需要 考虑有效载荷和成本，但RGB 和激光雷达传感器的搭配使用潜 力仍然比较大。
2 无人机在矿山勘探阶段的应用
在勘探阶段，根据无人机可获取的数据类型将现有应用分 为两大类， 即遥感地质构造分析和航空地球物理测量。
2.1 遥感地质和结构分析
在遥感地质和构造分析中，无人机主要用于获取可见光、红 外、多光谱和高光谱数据，然后对其进行处理和分析，以测量地 表特性。数码相机图像和高光谱数据广泛用于地质学、矿物测绘 和勘探， 并且已经成为遥感的重要应用方向。
勘探测绘可以确定矿床特征与地表地质学之间的关系。用 于此的遥感技术包括磁成像学、高光谱和摄影测量。磁成像使用 磁通门磁力计来检测由于铁磁矿物的磁性而引起的地球磁场变 化。高光谱成像用于更广泛的矿物， 因为每种化合物都显示出独 特的光谱特征， 基于吸收、发射或反射的电磁辐射的波长。
2.2 航空地球物理测量
基于无人机的地球物理调查在浅层目标勘探方面优于基于 固定翼飞机或直升机的调查。因为它们在复杂的地形(例如山 谷、废物和矿石堆场以及尾矿坝) 上具有更高的可及性。因此， 利用无人机获取地球物理数据，如由磁特性对比引起的地球磁 场，在矿山勘探和矿床定位中的应用逐渐增多。
3 无人机在矿山开采阶段的应用
近年来，随着社会生产力的加大，对金属矿产资源的需求也 随之增加。这也推动了金属矿山开采工作的进一步发展。开采 阶段是采矿过程的核心，是从地球上提取矿物质并加工成可销 售产品的地方。遥感无人机应用在此阶段表现突出。开采阶段 通常包括建筑活动，如建筑、基础设施、用于矿石处理的工厂和 矿井。在此阶段，确定了四个应用 ：露天矿场的地形测量，岩石 边坡的分析， 表面变形分析， 地下矿山测量。
3.1 露天矿山地形测量
传统的露天矿地形测量需要昂贵的测量设备(全站仪和地面激光扫描仪) 和专业技术人员，成本较高，勘察不便。然而， 如果使用无人机，就可以在合理的预算范围内快速调查露天矿 坑的广阔区域。大多数应用研究都是使用无人机获取航空照片， 并使用这些照片生成DEM、DSM 和露天矿的三维模型，进行矿 山地形测量。
3.2 岩石边坡分析
无人机可用于岩石边坡分析(包括难以直接进入的岩石边 坡的稳定性和不连续性分析)。
使用无人机系统和数字地面摄影测量可以记录山体滑坡或 难以到达的矿区。将矿山设置为研究区，使用无人机自动拍摄 航拍照片。然后，创建正射影像并建立滑坡区域的 3D模型。此 外，还可以使用数字地形摄影测量法对监测区域进行更详细地 记录。
3.3 矿山表面变形分析
表面变形分析是一种用于结构检查的方法，方法采用密集 的点云， 将最新的点云与早期的点云进行比较， 以确定可能的位 移。表面变形分析检查传统上是通过使用 3D激光扫描仪来完成 的，但遥感无人机符合表面变形分析检查的技术要求。摄影测量 通常用于无人机上的表面变形分析。运动结构分析与地面控制 点一起使用， 可以确保图像的正确定位和地理参考。
3.4 地下矿山测量
专用于地下环境的无人机和仪器很少。类似的环境通常低 能见度、开口狭窄、磁干扰和没有 GPS 覆盖。然而，如果无人机 系统配备高分辨率相机、LED灯和热传感器，则有用的信息，如 图像(热、光谱等)、距离、惯性测量单元(IMU) 和声音导航和 测距数据， 可以在矿工难以进入的区域获取相关数据。
4 无人机在复垦阶段的应用
矿山复垦阶段是采矿过程的最后阶段，主要包括森林和植 被恢复、地下水位恢复和环境监测，以及矿井关闭。在本文，根 据修复类型， 分为土壤和水污染监测、生态修复监测和地面沉降 监测三个阶段。本阶段的重点是环境管理和恢复监测。
4.1 水土污染监测
对于水土污染监测，无人机主要用于获取高光谱图像和调 查有害矿物浓度。此外， 无人机可以通过传感器进行数据采集以 及水采样等任务。
酸性废水污染源自采矿作业，这些采矿作业会产生酸性水 和具有低pH 值特征的矿山废物。现有的有关土壤和水污染监测 的文献表明，无人机主要用于获取高光谱图像和调查有害矿物 质的浓度。通过高光谱成像与摄影测量的集成， 可以用于酸性废 水污染监测。采用高光谱无人机技术收集酸性废水污染矿物成 分数据。常见的酸性废水污染矿物有针铁矿和赤铁矿。
无人机在监测水土污染监测方面具有以下优势 ：(1) 降低 与采样水相关的风险，(2) 降低与采样相关的成本，(3) 增加数 据采集频率。
4.2 生态恢复监测
无人机在生态恢复监测中的应用尤为突出。在与生态恢复 相关的监测案例中， 无人机系统通过获取航拍照片、多光谱图像 或近红外图像来了解植被分布。
人为采矿作业会导致地貌变化。采矿恢复和恢复监测跟踪 进度可以确定恢复行为是否有效。无人机可以捕获有关地表状 况和生态的数据， 并跟踪恢复过程。
4.3 地面沉降监测
尽管采矿有其经济效益，但它也会对自然环境产生影响。当 露天矿在作业停止后留下大片空洞时，土地受到的破坏十分明 显。地下采矿的影响不太明显，但往往表现为地表沉降。预测采 矿引起的沉降被视为实施积极措施以减少其影响的基础。由于 无法进入调查区域、安全问题和人为错误， 传统的沉降图容易出 现数据差距和错误。出于安全考虑， 人类调查和监测发生地面沉 降的地区是比较困难的。因此， 使用无人机来收集危险和难以进 入区域的信息非常有吸引力，越来越多的工作人员使用无人机 来获取地形复杂区域的数据。无人机常被应用于尾矿坝和因地 下开采而产生的塌陷区。
很多研究使用无人机进行沉降检测，并强调了它们可以提 供厘米级精度的能力。固定翼和多旋翼无人机都被用于沉降检 测。固定翼无人机主要用于需要绘制大面积地图的地方， 而多旋 翼无人机则用于需要高分辨率的较小区域。摄影测量是最常用 的方法，但也使用多光谱成像和LiDAR 扫描。利用多旋翼无人 机获取数字地理参考正射影像和DTM，以计算已识别表面沉降 的位置、面积和体积。然而，目前无人机摄影测量不能完全取代 传统方法， 后者可以提供水平地面松弛和裂缝检测等沉降数据。
5 结论
综上所述，目前无人机遥感技术在矿山开发的各个阶段都 有其广泛的应用。与传统的测量技术相比， 采用无人机遥感技术 进行矿山应用，成图速度快、精度高而均匀、成本低、不受气候 及季节限制， 能够在人员和其他设备难以进入的区域工作， 并且 能够快速获取数据。无人机可以低空飞行， 可以获得高密度的高 分辨率数据。此外， 只需简单培训即可轻松控制和操纵无人机也 是一个优势。因此，无人机可以用于矿山开发任务，如航测、航 空物探、环境监测等。
无人机的应用过程中也存在一些缺点，例如有效载荷能力 低、燃料和能源效率低、飞行时间短以及对天气条件的依赖较 大。由于无人机的负载能力低，因此，可以安装在无人机上的传 感器数量有限。与机载调查一样， 现场天气的突然变化会给调查 带来额外的成本。此外，由于无人机获取的数据量巨大，因此有 必要维护足够的硬件和软件来处理它。如果克服这些缺点， 无人 机将在矿山开发中得到更广泛的应用。
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