Геофізична магнітна розвідка на низькій висоті на основі багатороторного БПЛА як перспективна заміна традиційному наземному обстеженню

Статті

Повна стаття
Цифри та дані
Список літератури
Цитати
Метрики
Ліцензування
Передруки та дозволи
PDF

Анотація

1. Вступ

Запаси легко виявлених родовищ в основному вичерпалися. Перспективи розширення мінерально-сировинної бази ведуть до вивчення забутових ділянок, локалізованих на недостатньо досліджених територіях зі складними природними та ландшафтними умовами (рис. 1). Ці фактори ускладнюють будь-які традиційні геофізичні та інші геодезичні обстеження складними та дуже дорогими. Однак обов’язковим є застосування більш ефективних методів, що дозволяють досліджувати такі райони не тільки швидко і дешево, але і досить детально (згідно з Російською класифікацією в масштабах 1: 10000 або більше). Одним з найбільш універсальних методів геофізичної розвідки є магнітна зйомка. Через ослаблення аномалій магнітного поля з висотою та нерівним рельєфом класична аеромагнітна розвідка не може забезпечити детального широкомасштабного обстеження. Технічне вдосконалення класичних методів геофізичної розвідки не вирішує суттєвої проблеми економічно ефективних та оперативних досліджень перспективних територій. Тому для виконання геологічних та геофізичних робіт необхідний абсолютно новий підхід.

Опубліковано в Інтернеті:

Рисунок 1. Типові умови навколишнього середовища досліджуваної території: (а) 1 вересня, (б) 10 вересня, (в) 20 вересня, (г) фрагмент топографічної карти.

Точність і правильність магнітного огляду можуть бути покращені шляхом подальшого зменшення висоти вимірювання, що вимагає польоту з постійною висотою над місцевістю та меншою швидкістю польоту (а також деяких інших методів, таких як повітряно-гамма-спектрометрія та сканування LiDAR). Протягом останніх років автори розробляють складні методи дистанційного зондування на низькій висоті, які були б однаково ефективними в будь-яких ландшафтних та морфологічних умовах та вирішували б ті ж геологічні проблеми, що і традиційні землеобстеження. Основою цих складних технологій дистанційного зондування є геофізичні методи. Технологія магнітного зйомки під назвою SibGIS UAS (безпілотна повітряна система), розпочата в 2014 році, була випробувана і випробувана першою (Паршин 2015; Паршин та ін., 2016). У цій роботі автори представили аеромагнітні дані, отримані сучасною версією ПБУ SibGIS, у порівнянні з наземним магнітним обстеженням у кількох районах Бодайбінського синклінорію (Східний Сибір, Росія, можливі родовища золотих руд).

Магнітні зйомки проводились на перших етапах геологорозвідки геологічно недостатньо дослідженої території. Але геологічні дані більш детального масштабу (> 1: 200 000) ще не доступні для досліджуваної території. Що стосується юридичних обмежень, автори не мають права надавати повний обсяг отриманих даних для загального огляду. Тим не менше, власники ліцензій на надра люб'язно дозволили публікувати деякі витяги з опитування у відкритих джерелах.

2. Програмне та апаратне забезпечення

Технологія SibGIS UAS тепер доступна для масштабів 1: 10 000 або більше і є оптимальною для використання під час оцінки перспектив та обстеження на окремих ліцензійних майданчиках у кілька сотень квадратних кілометрів. Ці шкали магнітометричних зйомок є найпопулярнішими в російській практиці оцінки перспектив та розвідки рудних корисних копалин, особливо золота. Оскільки максимальний ефект від технології магнітного зйомки UAS може бути досягнутий у складних природних та ландшафтних умовах, слід враховувати потенційні ризики втрати або пошкодження обладнання. Таким чином, лише недорогі компоненти, легке обслуговування та висока надійність можуть забезпечити підвищену економічну ефективність технології. Вартість повністю спроектованого аеромобільного блоку відповідно порівнянна з вартістю одного сучасного ручного магнітометра.

Політ на дуже низькій висоті з точним драпіруванням поверхні місцевості (що вимагається цілями та конкретними природними умовами досліджуваних територій), надійність та легкість транспортування вимагають найбільш підходящої мультироторної схеми БПЛА. Переваги та недоліки різних схем БПЛА для геофізичних зйомок описані в роботах Kroll (2013). Недоліки літаків із фіксованим крилом описані в попередньому розділі. Існуючі бензинові вертольоти, які забезпечують значну злітну вагу, занадто великі, занадто дорогі і досить складні для обслуговування для будь-якої тривалої геологічної експедиції.

Для зйомки ми створюємо два мультироторних БПЛА та програмне забезпечення для польотних місій та обробки даних. Незважаючи на те, що повітряні безпілотники виготовляються безпосередньо авторами і є несерійними продуктами, їх апаратне оформлення включає максимальну кількість компонентів, доступних на відкритому ринку на азіатських веб-ресурсах, що забезпечує високу ремонтопридатність.

По-перше, «важковаговий» БПЛА - це шести- або восьмироторний вертоліт, оснащений магнітометром, який вимірює модуль вектора сумарного геомагнітного поля (рис. 2). Його конструкція була розроблена для зменшення магнітних перешкод польотної платформи, включаючи різні рівні віброізоляції, рішення щодо компонування, що мінімізують перешкоди від ліній електропередач до електродвигунів, та встановлені зміщення датчика магнітометра, які спрямовані на запобігання його обертанню незалежно від гнучкості.

Опубліковано в Інтернеті:

Рисунок 2. Мультикоптер “важкої ваги” з магнітометром у польоті.

В даний час квантовий магнітометр Overhauser використовується як магнітометричний канал з абсолютною точністю в межах 1 нТл при вимірюванні часу в секунду та вимірюванні максимальної частоти 8 Гц. Цей магнітометр виготовлений відповідно до проектних специфікацій, які були розроблені за результатами випробувань 2014−2015 років для різних типів та конструкцій магнітометрів. При його розробці ми використовували апаратні компоненти популярного російського магнітометра MMPOS-1 (від лабораторії квантової магнітометрії Уральського державного технічного університету), які забезпечують метрологічну точність зйомки з широко поширеними магнітними базовими станціями.

Злітна вага «важковагового» магнітометра БПЛА може досягати 15 кг за наявності декількох встановлених батарей LiPo 16000 мАг. Час польоту становить 20-30 хв на батарею. Будь-яка зменшена одиниця ваги збільшить час польоту, але нашими пріоритетами є довговічність, ремонтопридатність та надійність. Застосування порівняно більших мультироторних БПЛА дозволяє ефективно політати проти вітру та снігу завдяки своїй великій вазі та великій місткості, а потім дозволяє підтримувати стабільну траєкторію польоту та постійну швидкість, необхідну для отримання високоякісних даних геофізичних зйомок. Стабільний зразок відеозапису, записаний у польоті, можна знайти на Google Drive у Паршині (2017). З відео можна дізнатися, що значна маса і швидкість БПЛА дозволяють стабілізувати датчик у польоті та запобігти його зсуву.

Для зручності транспортування наш пакет складається та може бути поміщений у футляр (рюкзак). Отже, двоє людей можуть нести повний комплект обладнання (БПЛА, один бензиновий генератор, один ноутбук, одна наземна станція, кілька акумуляторів та зарядні пристрої) та виступати на значній відстані від інфраструктури, де жодна позашляховик не може проїхати.

Ручний режим управління БПЛА означає, що оператор повинен вручну йти в ногу з малою та постійною висотою, що робить зйомку неможливою у складних гірських районах, а також прямо не дозволяється чинним російським посібником з аеромагнітних розвідок. Тому в автоматизованому польоті вимірювання зазвичай проводяться в автоматичному режимі і зберігаються в пам'яті, а також координати, записані за допомогою системи позиціонування GNSS, що підтримує GLONASS/GPS/Beidou. Сканер LiDAR може бути встановлений як додаткове навантаження для отримання високоточної цифрової моделі місцевості (DTM), яка згодом дозволяє більш точну інверсію даних магнітних зйомок. Швидкість польоту зазвичай коливається від 7 до 10 м/с. Коли акумулятор розряджається, літак повертається на базу для заміни батареї та оновлення місії польоту. Для безперервного режиму роботи потрібно більше батарей LiPo та генераторів бензину для підзарядки акумулятора.

Автопілот вимагає вирішення питання швидкого створення правильних польотних місій на основі топографії, що необхідно для практичного здійснення якісного обстеження на великих площах у нерівному рельєфі. Нанесення топографії поверхні на максимально можливу малу висоту є ключовим аспектом у розробці магнітометричної технології як потенційної заміни наземних зйомок, оскільки напруженість магнітного поля суттєво змінюється з висотою. Отже, дуже часті аномалії, спричинені дрібними геологічними об’єктами, загасають набагато швидше, ніж аномалії великих структур. Для того, щоб зафіксувати аномалії невеликого розміру або амплітуди, які є важливими в геологічному відношенні, ми прагнули здійснити польоти на висотах не більше 5 м над рослинністю. Щоб досягти запропонованого автоматизованого польоту, ми маємо вирішити три основні проблеми.