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以测绘新技术服务智慧矿山及生态文明

——访北京测科公司负责人林宗坚

2018-10-31 10:49:15 来源:中国矿业报社 本报记者:刘晓慧

测绘技术作为矿山行业中的先行军,其准确性直接关系着矿业的正常运行和安全系数,对矿业行业乃至自然资源管理行业都具有举足轻重的作用。目前,随着数字化技术的应用,助力矿山行业发展的测绘技术也不断推出各种新型的数字化产品,提高了测绘工作精度和矿山企业的工作效率。

从2007年起,中国测绘科学研究院林宗坚科研团队历经5年努力,研制成功“具有自检校自稳定功能的组合宽角航空相机”。该航空相机获得2012年国家技术发明二等奖。经过5年测试完善和工程实验,如今已经实现了技术成果的产业化,推出了“CKAC200航摄仪”,并发布了“产品白皮书”。业内人士认为,此新发明的设备产品在影像质量、作业效率和操作可靠性方面超过当前国际最先进的ADS、DMC和UCD三种品牌相机。日前,《中国矿业报》记者就“CKAC200航摄仪”及“自检校自稳定”技术的研发等情况采访了中国测绘科学研究院原院长、北京测科公司负责人林宗坚。

记者: “CKAC200航摄仪”与同类产品相比的优势是什么?

林宗坚:CKAC200航摄仪与国际品牌的三种航空相机进行比较,在同一时间、同一地点用相同的飞机完成同一项目任务,我们的相机飞出的影像质量比它们好,而作业效率是它们的1.5倍~2.0倍。例如,2017年~2018年,在海南我们的相机69天完成的工作量为1.3万平方千米,而DMC+UCD两架相机在近1年的时间里完成的工作量才1.2万平方千米。这里当然还包含着我们的相机搭配有我们自主研制的天气、地形适应航空摄影航线规划与实时控制软件的因素,能在它们认为不能作业的天气进行作业。

我国西部国土辽阔,矿产资源丰富,但相对荒凉。还有大片国土未完成大比例尺、高分辨率航空摄影。CKAC200为完成西部矿产开发所需要的大比例尺、高分辨率航空遥感做好了技术设备的准备。

记者:“CKAC200航摄仪”的核心技术和优势是什么?

林宗坚:“CKAC200航摄仪”的核心是“自检校自稳定”技术。“组合宽角成像”是航空遥感相机在新世纪的变革性创新技术,能够有效克服传统光学镜头像场边缘信号衰减和畸变差急剧增大,以及单个大面阵信号传递速率太慢的缺陷,大幅度增强了数码相机的成像质量和速率,实现航空数码相机取代航空胶片相机的技术变革。但是,国际品牌厂家在依靠传统制造设备与技术解决多镜头多面阵组合成像难题的时候,未能解决增大像场角后因场景各部分的光照差异及曝光时间微小差异在飞行平台运动状态下产生的额外误差问题,因而组合像场角和组合镜头数仍然受限。“自检校自稳定”的技术发明解决了此难题。同时,“自检校自稳定”技术可以将空中几万次曝光获取的影像逐一做了自动化校正,消灭动态误差。同时,利用特宽像场角的像幅冗余度,裁切掉飞行平台动态偏斜的影相,去掉部分品牌相机依然沿用的笨重稳定云台,大幅减轻了设备重量。

记者:您组织研发这一设备的初衷是什么?

林宗坚:简单来说,初衷就是为了配合航空物探的大速高比航空摄影。航空物探作业油气特殊性。很多时候要求沿着地形起伏进行等航高飞行,而且通常航高比较低。这也就要求与之配合的地形航空摄影必须满足低空、高速、宽覆盖的三项性能。市场上普通的航空相机适应不了此要求。因此,自然资源部中国地质调查局航空物探遥感中心委托中国测绘科学研究院北京测科公司利用具有自检校自稳定功能的组合宽角成像技术,专门制造了一种高精度组合宽角相机,从而创造了矿藏信息与地形信息同机获取的航空物探新模式。这是北京测科公司凭借完全自主的CKAC知识产权,为相关专业用户提供的“专门定制”设备产品的模式,它不同于一般厂商稍欠灵活性的“格式化”产品模式。

记者:目前的使用情况怎么样?

林宗坚:2016年8月利用这套设备,在新疆哈密遥感地质试验场进行了航空重力测量与地形测量的同机测验,相对航高从200米到1600米,覆盖面积2450平方千米,获取影像41521幅,影像分辨率优于0.2米,完全符合航空物探的标准。此后,实际工程应用14架次,累计飞行56.73小时,完成影像51万幅,期间未出任何设备故障。

记者:“CKAC200航摄仪”可为探矿采矿提供哪些服务?

林宗坚:其核心是为探矿采矿活动提供主、被动多传感器组合成像系统。矿产勘探和开采对遥感信息的内容有多方面的需求,它不仅需要用最常规的光学影像来判读和成图,还需要多光谱/高光谱影像进行矿藏成分识别和采矿环境污染分析,需要激光雷达数据对矿体进行直接量算以及穿透植被间隙的地面测量,需要在云雾天具有全天候功能的微波雷达提供数据,需要通过夜间的红外影像监视矿区环境,而在CKAC200基础上扩充构建起来的主、被动多传感器组合宽角成像系统正适合这些用途。此系统包含组合宽角光学相机、视频光学相机、视频红外相机、激光雷达、微波雷达以及用以联接上述传感器构成统一时空基准的测姿定位系统。

这套设备已经安装在工业型中航时无人机上,并成功完成了多项工程。如,位于四川与西藏交界处的金沙江拉哇水电站建设工程1∶2000测图,该工程河水面海拔2500米,两岸山头海拔5700米,飞机在河谷中海拔4500米航高飞行数千千米,完成河谷间450平方千米的航空摄影任务,这类工程环境在矿山建设中也会常见,很具有参考价值。再如,贵州安顺和遵义地区是被称为“天无三日晴、地无三里平”的航空摄影困难地区,采用“CKAC200航摄仪”能够顺利完成地理国情监测任务。九寨沟发生地震后,“CKAC200航摄仪”为次生地质灾害风险预测进行航空遥感,在海拔4300米的机场起降,在高山峻岭间航飞、获取到多种数据。这种情况也适合矿山建设应用。

记者:“自检校自稳定组合宽角成像”技术能为矿山企业包括安全、环保在内的生产环节提供哪些服务?

林宗坚:空域航时是很宝贵的,从技术合理性上讲,在一个飞行平台上固定装载多种传感器可一飞多用。我们可以通过多种传感器数据融合,提高数据价值,可以为构建大数据提供有效资源。而“自检校自稳定组合宽角成像”技术使矿山企业运用低成本低空航拍成为可能。

矿山企业多在边远山区,交通不便,而辖区面积则常有数十平方千米之阔。因此,矿区的运行管理最适合使用低空航拍技术。在微、小型无人机上装置微小型宽角摄像机,可以每天对矿区进行巡视摄像,了解矿区建设进程及矿区设施运行现状,估算每天增减的矿区内矿产物堆积量;了解矿区道路交通情况,识别突然出现的道路边坡滑塌等灾害,并估算其土石方量;识别矿区内洪水淹没和泥石流等灾害情况;监视电力线路,空中轨道等矿区设施运行情况;监视矿区内森林、草地、湿地等生态环境状况等。

但是,国家对无人机运行管理有明确规定,总重量超过7千克的无人机每次航飞必须申报空域,必须纳入无人机云和电子围栏的管理,这就给矿山企业的自查运行带来很大困难。因此,矿山企业最好使用总重量不超过7千克的微小型无人机,同时要求能确保其安全运行的传感器载荷最好不要超过1千克。这类无人机在非“重点地区和机场净空区”可以不必申请空域,随时自主航飞。北京测科公司专门设计了一种高速、高效、低成本作业的低空航拍相机,称之为“120°特宽角微型视频航拍仪”(CKMV),其总重量(包括电池)不超过1千克,体积为20×20×20厘米,可装载于轻小型固定翼无人机、多旋翼无人机、系悬无人机等低空飞行平台。

其核心技术就是来自得到国家技术发明奖的“自检校自稳定组合宽角成像”技术。首先,必须有120°的特宽角才能允许有400米的航高,1000米像幅这样的幅高比,才能有此高效率;其次,必须有“自检校”技术,才能克服低成本摄像头产生的大到100像元的畸变差,以及视频摄像产生的复杂动态误差;再次,必须有“自稳定”技术,才能利用特宽角的边缘冗余裁切飞行器姿态变化产生的偏斜,达到3°以内的成像需求,从而抛弃当前市场普遍采用的三轴稳定云台,达到减轻重量的目的。

这套设备飞行400米航高,可获取到0.5米分辨率的1平方千米方幅影像;飞行160米航高,可获取到0.2米分辨率的400×400平方米方幅影像;飞行80米航高,可获取0.1米分辨率200×200平方米方幅影像。这些数据足以满足矿山日常管理监测的需求。矿山企业可以用CKMV和不超过2万元的微小型旋翼无人机,建起一个矿区航拍监视系统。相比价值数百万元的大中型航空遥感系统,不超过5万元的投资便可以满足矿山企业的低成本高性能要求。

记者:遵循“绿水青山就是金山银山”的发展理念,不少地区争当生态文明建设排头兵。而地质灾害监测是生态环境保护基础工作,是事关人民生命财产安全的重大民生工程,是地质工作的重要组成部分。地质灾害监测防治工作具有难度大、技术要求高的特点。山体滑坡是一种比较常见的地质灾害,在这方面测绘技术有何创新?

林宗坚:山体滑坡是一种比较常见的地质灾害,目前常用的监测技术手段,一是精密测量仪器观测,例如水准仪、经纬仪、全站仪等,这些仪器能观测到毫米级精度,但是人工观测频次增加有困难,难以做到长期连续的值守观测。二是在坡体内埋设各种传感器观测,通过对应变力,形变位移,以及内渗水分等观测手段,观测效果很好。最近,国外新推出一种多节棍式埋设形变检测仪,能观测到坡体内微小复杂的形变,但是每米价格为8000元,一个坡体需埋设数十米,需耗资数十万元,而且灵活机动性差。三是卫星定位系统(GNSS),在坡体表面设置GPS或北斗天线,可以每天24小时长期值守观测,但其精度有限,难以达到实时厘米级的精度。四是微波雷达和激光雷达测量,这种技术能达到厘米级精度,但是用卫星或飞机进行观测仅适用于大面积地面的年度或季度监测,不适宜做长时值守监测。针对以上的技术弊端,北京测科公司研制了一种被称为“长焦相机长时值守的视频摄影监测预警系统”。其技术核心是:在离坡体一定距离处建造固定墩,在墩上安置带望远镜头的视频摄像机;在坡体上需要观测变形位移的点位设置观测靶标,靶标由专门设计的条纹图案和照明灯组成;视频摄像机对靶标进行日夜持续摄像,摄像信号通过手机移动通信网络传输到监测处理中心;监测处理中心接收各站点传输过来的图像信号,进行实时解算,绘制出每个观测站点的位移累积曲线,并根据设定的阈值发出灾害监测预警信号,供监测中心作为向社会发布预警消息的参考。这种视频监测装置能够达到在距离10米之内0.1毫米、100米之内1毫米、1000米之内10毫米的精度,而且长期值守。这是目前其它各类监测技术难以达到的,该技术还可以用于对矿山建筑中有变形监测的需求。

网站编辑:宫莉

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