在哈薩克斯坦，這是首次使用無人機進行航空磁測量。本次研究采用銣泵浦磁力儀(yi) ，旋翼型無人機作為(wei) 載體(ti) 平台。革命性的新型航空磁係統結合了無人機的可操作性和磁測設備的高靈敏度。該係統可以在極低的海拔、平坦的地形和困難的地形條件下進行詳細的地形測量。由於(yu) 這項新技術，可以將測量的細節水平和性能提高十倍，大大提高磁測量的精度，原則上已經可以利用階梯高度測量進行磁場體(ti) 積研究。
哈薩克斯坦創新性的利用無人機和光泵磁力計進行航磁測量找礦
（本文譯自Innovative aeromagnetic survey using unmanned aircraft for ore prospecting in Kazakhstan（P.N. Kovrizhnyh1， D.O. Kozhamsugirov1， S.N. Kozhevnikov2， D.V. Makarov2， D.Ya.Kapshtan3 ‘’SPC‘’Geoken‘’ LLP， Republic of Kazakhstan; ”Kazzinc” LLP; “Geoscan” LLC， Russia）
介紹
在哈薩克斯坦，這是首次使用無人機進行航空磁測量。本次研究采用銣泵浦磁力儀(yi) ，旋翼型無人機作為(wei) 載體(ti) 平台。革命性的新型航空磁係統結合了無人機的可操作性和磁測設備的高靈敏度。該係統可以在極低的海拔、平坦的地形和困難的地形條件下進行詳細的地形測量。由於(yu) 這項新技術，可以將測量的細節水平和性能提高十倍，大大提高磁測量的精度，原則上已經可以利用階梯高度測量進行磁場體(ti) 積研究。
正文
磁法勘探被認為(wei) 是地球物理勘探中有效的方法之一，並被廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 地質勘探的各個(ge) 階段：尋找鐵礦和其他礦物(包括碳氫化合物)、地質填圖、構造研究等。高精度精密磁力測量在考古調查和工程測量中同樣發揮著重要的作用。有係統地將磁力計用於(yu) 勘探目的可以追溯到上個(ge) 世紀初。1919年，在I.M. Gubkin院士、P.P. Lazarev工程師和a.c. Arkhangelsky工程師的帶領下，開始了對庫爾斯克磁異常的係統研究，隨後在俄羅斯的庫爾斯克、別爾哥羅德和奧廖爾地區發現了獨特的磁鐵礦鐵質石英岩礦床。自上世紀40年代以來，哈薩克斯坦共和國的領土通過比例尺1:100萬(wan) 至1:20萬(wan) 的區域磁測進行了係統的研究，領土的大部分地區通過比例尺1:50000、1:25000和1:10000的詳細測量進行了研究。 然而隨著時間推移，地磁在地質勘探中的重要性不但沒有減少，人們(men) 對它的興(xing) 趣在逐年增加。
在這些年的技術發展中，至少使用了四種類型的磁力儀(yi) 。在第1階段，光機平衡磁力計使用了50多年。隨後，磁通門、質子和光泵磁力計被研製出來。目前，磁勘探主要采用核進動(質子)磁力計和光泵磁力計。針對各種測量條件，地麵、井下、海上和空中作業(ye) 用的專(zhuan) 用磁力儀(yi) 被大量生產(chan) 。
由於(yu) 性能高、精度高，航空磁學研究是磁學研究的主要部分。現代光泵磁力計具有高分辨率(靈敏度可達0.001 nT)和高性能(每秒可達100次測量)的特點，確保了磁場記錄精度0.2-0.5 nT，使用標準空中平台時觀測點之間的距離約為(wei) 0.5 - 1m。采用差分數據平差的現代GPS導航係統可以獲得亞(ya) 米精度的觀測點位置。而精確的標記又可大大降低航磁測量的總體(ti) 誤差，並可構建精度無與(yu) 倫(lun) 比的磁場圖。航空磁測在研究足夠大的區域時是非常有效益的——zui初的一千平方公裏或更大的區域。當研究相對較小的區域(幾十/ 100平方公裏)時，由於(yu) 設備和飛機租賃的成本占很大比例，調查的運行公裏成本急劇增加，動員/遣散，有時從(cong) 基地到調查地點的大量非生產(chan) 性飛行，等等，因此，由於(yu) 性能較低，該區域的研究使用了徒步磁力計，其性能水平勉強可接受，但精度大大低於(yu) 航空磁力計。
利用快速發展的無人機航磁測量技術，可以較好地解決(jue) 小區域磁勘探所麵臨(lin) 的問題。重量不到一公斤的小型高精度高速磁測係統的開發，一係列無人機的廣泛生產(chan) ，導致了一種全新的航空磁測技術的發展，它結合了無人機的高機動性和磁測設備的高靈敏度。因此，磁測量的細節水平提高了許多倍。
目前，正在積極開展超輕型航空磁係統工業(ye) 樣品的製作和測試工作。在俄羅斯聯邦，Geoscan LLC、伊爾庫茨克國立技術研究大學俄羅斯科學院西伯利亞(ya) 分院特羅菲穆克石油地質與(yu) 地球物理研究所(Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics)正在研究這個(ge) 問題，加拿大和其他guo家也在進行類似的研究。在哈薩克斯坦，SPC Geoken LLP於(yu) 2017年9月至10月進行了使用無人機進行的航空磁測技術的首次測試。試驗工作與(yu) Kazzinc LLP的地質勘探部門和俄羅斯国产黄色在线观看Geoscan LLC合作進行，Geoscan LLC国产黄色在线观看提供了一個(ge) 基於(yu) 無人機和光泵磁力計的航空磁測係統。
多旋翼型無人機- Geoscan 401四軸飛行器-被用作勘測的空中平台(圖1)。
圖1 無人機- geoscan401四軸飛行器
四軸飛行器配備有自動控製係統(自動駕駛儀(yi) )、慣性導航係統、雙係統(GPS/GLONASS)導航接收機、工作負載控製單元和用於(yu) 傳(chuan) 輸指令和遙測數據的數字通信通道。無人機由基於(yu) 一台筆記本電腦和Geoscan Planner軟件的地麵控製站(GCS)控製。GCS能夠準備飛行任務，監視和控製飛行和顯示從(cong) UAV獲得的遙測數據。起飛、根據飛行任務在測量航線上工作、降落均在自動模式下進行，操作員可及時更改飛行任務。無人機與(yu) 地麵站通過數字通信信道連接。所有來自無人機的數據-坐標，航向，滾轉，俯仰，速度，電池剩餘(yu) 電量等-在GCS實時顯示。
無人機由鋰聚合物電池供電。四軸飛行器z大水平速度為(wei) 50 km/h (14 m/s)，航磁測量以36 km/h (10 m/s)的速度進行。z大負載重量為(wei) 2kg。相對安全高度z小為(wei) 25米，z大為(wei) 500米。飛行時長(從(cong) 起飛到降落)由無人機的電池容量決(jue) 定，z長為(wei) 40分鍾。在這段時間內(nei) ，可以計算出22公裏的航磁路線(根據進近和轉彎進行調整)。在一個(ge) 工作日內(nei) ，可以進行6-8次飛行，並進行120-160公裏的勘測。
磁場由由光泵的銣磁敏磁力計記錄。磁力計使用20米長的卡普綸繩索固定在無人機上(圖2)。
圖2 懸掛杆處的量子銣磁力計，由無人機用卡普綸繩索牽引
磁場采樣率為(wei) 1000hz。單片GPS接收器與(yu) 磁力計一起安裝在吊杆上。定位數據記錄速率10hz。GPS接收器天線固定在距磁力計傳(chuan) 感器約1米的杆上。原始的磁力計和定位數據記錄在可移動存儲(chu) 器上。飛行結束後，所有數據都會(hui) 被複製到筆記本電腦上，以檢查數據的完整性和質量。
將磁力計原始數據由二進製轉換為(wei) 文本後，對原始數據進行統計處理，並將磁場數據導入數據庫進行進一步處理，采樣率為(wei) 0.1 s，對應於(yu) 航磁路徑上0.8-1 m的間距。磁力計和定位數據使用GPS時間對齊。
所有航空磁測量都有高質量地磁變化記錄的支持。地磁變化測量在三個(ge) 地麵MVS進行。其中兩(liang) 個(ge) 在固定位置，第三個(ge) 站-移動的一個(ge) -位於(yu) 無人機起飛/著陸點附近，並隨著區域的計算移動。
為(wei) 評估飛行方向對磁力計讀數的影響而進行的測試表明，偏差修正不超過1.0 nT。
在使用無人駕駛飛機進行航空磁測之前，已從(cong) 主管當局取得所有必要的授權，按照既定程序商定每天飛行高度超過50米。
測試工作結果
此項新技術在哈薩克斯坦東(dong) 部和中部的Kazzinc LLP勘探地區進行了試驗。測試的主要任務是在實踐中查明該係統在進行航空磁測時在z低安全高度和非常佳飛行速度下的能力，評估磁強測量誤差，並檢測需要更新和改進的技術特征。此外，還解決(jue) 了純工業(ye) 性質的任務：在找金-石英礦和層狀多金屬礦時，為(wei) 地質填圖和預測估計建立詳細的高精度磁測數據。全麵開展航磁實驗工作，測量路線1500多公裏。建立了1:50 000和1:10000比例尺的探區磁場數字模型。對照測量，測量均方根誤差為(wei) ±0.25-0.35 nT。
航空磁測區位於(yu) 哈薩克斯坦東(dong) 部，位於(yu) 哈薩克斯坦阿爾泰西南山脊的南坡上。根據構造分類方案，本區位於(yu) 西卡爾賓斯克構造帶的中部，根據成礦帶資料，本區屬於(yu) 西卡爾賓斯克金礦帶。航磁測量是金-石英型礦石綜合找礦的一部分。航磁測區為(wei) 複雜起伏地形(圖3)，海拔685 ~ 1360 m。山坡上長滿了1-2米高的刺狀灌木，行走時很難穿越。沿著河床——生長著一片樹木高達10米的森林。航空磁測是在地表以上50米的磁力計傳(chuan) 感器高度進行的。為(wei) 了評價(jia) 多高程航空磁測在體(ti) 積地質填圖方麵的效率，除了在50米高度進行的主要調查外，還在離地麵30和70米的磁力計高度測量了局部地區的磁場。要在給定高度飛行且地形跟隨，必須有足夠精確的數字地形模型(DTM)。將預製DTM加載到GCS中，用於(yu) 設計航磁路徑的垂直剖麵。
圖3 哈薩克斯坦東(dong) 部地區，位於(yu) 山脈的斜坡上，景觀條件複雜
目前，Aster Global DEM和SRTM DEM模型是容易獲得的免費使用的數字地形數據。SRTM DEM數據與(yu) 高分辨率無人機影像攝影測量處理得到的地形數字模型(S. Mikhailov， Kazzinc， 2016)對比分析表明，在山地條件下，SRTM數據與(yu) 地表實際高度的差異在無灌木的淺坡地為(wei) ±3-4米，在丘陵山地和有喬(qiao) 灌木植被的地區為(wei) ±9-10米。
在初始階段的研究中，SRTM數據用於(yu) 飛行計劃時，由於(yu) 模型的重大錯誤，因此，低估真正的地形和森林覆蓋，磁力儀(yi) 的吊艙係統被樹木切斷了導致磁力計掉落。幸運的是，磁力儀(yi) 沒有損壞，也沒有失去工作能力。隨後的飛行使用高精度DTM (cell/pixel size為(wei) 2 m，高度絕對誤差±0.2 m)，使用無人機拍攝的高分辨率圖像的攝影測量處理數據構建。後來就沒有這樣的事故了。
圖4為(wei) 測量路徑垂直剖麵示例。
圖4 航空磁測時地形跟隨的磁力計高度與(yu) 地球表麵圖
航磁測量在航線之間50米的距離進行。為(wei) 了平整航磁測量數據，對與(yu) 直線垂直鋪設的一係列連接線路進行了測量，連接線路之間的距離為(wei) 1 km。磁力計在測量路線上的平均速度為(wei) 36 km/h (10 m/s)。磁場采樣率為(wei) 1000hz，坐標采樣率為(wei) 10hz。對磁力計原始數據進行統計處理後，將磁場記錄到結果數據庫中，時間增量為(wei) 0.1 s，對應於(yu) 航空地球物理路徑上0.8-1 m的距離。
航磁測量結果為(wei) 異常磁場彩色圖像(圖6a)和異常磁場垂直梯度計算結果(圖6b)。場的垂直梯度降低了原場的低頻分量，增強了局部分量，強調了場內(nei) 部結構的要素。為(wei) 了比較沿多條航磁路線的航磁測量和地麵測量，利用G-859光泵磁力計進行了地麵地磁測量(圖7)。
圖5 哈薩克斯坦東(dong) 部地表起伏和航磁測量路線地形高程685 - 1360 m
圖6 異常磁場(上)和磁場垂直梯度(下)
圖7 使用G-859磁力計進行徒步磁測
磁場為(wei) 自動模式記錄儀(yi) ，時間增量為(wei) 4 s，操作者沿導線的平均速度為(wei) 1.8 km/h，徒步移動時相鄰測點之間的距離為(wei) 0.5 ~ 4 m，取決(jue) 於(yu) 灌木密度和坡角。陸地磁力計平均采樣間隔為(wei) 2米。在同一導線上進行的航空和陸地測量的磁場圖見圖8。
圖8 陸、航磁測量磁場圖對比
相對於(yu) 無人機航磁測量數據而言，徒步運動時的磁場測量噪聲水平明顯較高。根據對照測量，陸地測量的均方根誤差為(wei) ±2.3 nT，在地磁儀(yi) 高度50 m處的航空磁測量的誤差為(wei) ±0.25 nT。
哈薩克斯坦中部的試驗工作區域位於(yu) 哈薩克斯坦共和國卡拉幹達地區的Zhailminskaya下褶皺區。利用無人機進行航磁測量，用於(yu) 地質填圖、隔離和追蹤有希望的層狀鉛鋅、鐵錳礦帶。該地區預測與(yu) 上法門統有機質灰岩有關(guan) ，被風成砂和古近係粘土覆蓋。在上世紀70年代的找礦過程中，通過探井對方鉛礦和閃鋅礦嵌布細脈的石灰岩進行了相交，深度為(wei) 150 ~ 160 m。
研究區域地勢平坦，景觀條件為(wei) 草原、半荒漠(圖9)。研究區域麵積38平方公裏，采用1:10000比例尺航磁測量。航磁線路總長度為(wei) 465公裏。地磁儀(yi) 測量時高度為(wei) 地表以上30米，線路間距為(wei) 100米。根據控製測量，航磁測量的均方根誤差為(wei) ±0.35 nT。
圖9 哈薩克斯坦中部地區自然景觀:風成沙、大草原、半沙漠
上世紀80年代在該區域進行了規模為(wei) 1:25 000的綜合航空地球物理調查。該調查是在AN-2飛機上使用MMC-214光泵磁力計進行的，該磁力計具有模擬-數字磁場記錄。飛行高度為(wei) 25-75米，航線間距離為(wei) 250米，采用“泊斯克”無線電測地係統進行定位。定位誤差±13.7 m，磁場測量MSE±2.7 nT。
為(wei) 了評估使用無人機進行的航磁測量的信息價(jia) 值，將得到的地圖與(yu) 以前進行的航磁測量的數據進行比較(圖10)。利用現代軟件Geosoft Oasis Montaj對歸檔的數字AMS數據進行再處理和可視化。為(wei) 了便於(yu) 比較，將磁場值降低到2017年的調查水平，同時使用相同的色標進行可視化。
新測得的磁測數據與(yu) 以前高精度航磁測量的結果基本一致。因此，對比分析明確表明，使用無人機獲得的航磁數據具有更大的細節和空間分辨率。新的磁力測量幾乎比1988年進行的那次更精確。局部磁場分量(圖11)包含了以前無法獲得的有關(guan) 該地區構造和構造剖麵細節的新信息。隨後結合其他地質和地球物理資料對新的磁力測量材料進行深入分析，很可能會(hui) 發現鉛鋅礦化的其他找礦標準，並采取更合理的方法來確定有希望的地帶進行進一步研究。
圖10 2017年左側(ce) 磁場異常- 1:10000測量;對，1988年1:25000的調查
進行的測試工作可以得出以下結論:
1. 利用無人機和光泵磁力計進行航磁測量技術試驗，取得了良好的結果。以無人機和光泵磁力計為(wei) 基礎，利用銣磁敏傳(chuan) 感器構建的航磁係統，將無人機的機動性與(yu) 測磁設備的高靈敏度結合起來。該係統可以在極低的海拔、平坦的地形和困難的地形條件下進行詳細的地形測量。新技術的結果是，可以將測量的細節水平和性能提高10倍，從(cong) 而顯著提高磁測量的精度。
2. 隨著該係統的引入，由於(yu) 多次高程測量和垂直剖麵處理，可以進行磁場的體(ti) 積研究，這反過來又為(wei) 磁測數據分析和解釋提供了使用新方法的可能性，這將導致構建可靠度達到新水平的體(ti) 積地磁模型。
3. 進一步改進和引進低空航空磁測技術，將有可能為(wei) 詳細地質填圖(比例尺1:10 000 - 1:10:從(cong) 而提高地質圖的質量和可靠性，提高預測成礦分析和找礦生產(chan) 力。
4. 當有人駕駛的飛機無利可圖，並且徒步測量需要更多的勞動力或由於(yu) 地形條件惡劣而不可能時，使用該技術的效果預計是在中型地區(幾十平方公裏，前數百平方公裏)的勘探。未來幾年，利用無人機進行的低空航磁勘測很可能會(hui) 被大量使用，在某些情況下幾乎完全取代陸地磁勘探，而磁測在地質勘探中的效率和實際重要性不不斷增加。
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