Горнодобывающая промышленность за пределами видимого: оптимизация отрасли с помощью гиперспектральной визуализации и беспилотных летательных аппаратов

Дроны прочно вошли в наше воображение, особенно благодаря миру кино и телевидения. Общество и отраслевые эксперты становятся все более изобретательными в отношении того, как мы можем извлечь выгоду из этих роботизированных летательных аппаратов; Войдите в горнодобывающую промышленность.

Дроны стали привычной особенностью на участках добычи быстро внедряясь в некоторые аспекты операций, до такой степени, что они стали обычным инструментом для исследования запасов, проверки некоторых видов оборудования и хвостохранилищ. Более того, добывающая промышленность сделала реальностью дроны для картографирования туннелей, которые были представлены в таких фильмах, как «Прометей» и «Суперсемейка», с помощью устройства «Hovermap» компании Emesent.

Во всем мире стандартной рабочей лошадкой в области зондирования с помощью дронов является фотограмметрия. Прикрепите недорогую камеру к дрону в сочетании с приличным GPS, и с помощью магии компьютерного зрения мы внезапно получим точные фотореалистичные трехмерные модели наших сайтов. Но существует ошеломляющий и постоянно растущий массив различных датчиков или геофизических инструментов, которые также могут быть установлены.

Адаптация технологий зондирования

Первое, на что пошли как горнодобывающая промышленность, так и сектор беспилотных летательных аппаратов, - это адаптация технологий зондирования, которые в той или иной форме уже существуют на самолетах или спутниках. Крупнейший в мире коммерческий производитель беспилотных летательных аппаратов DJI уже несколько лет продает платформы, интегрированные с тепловизионными и мультиспектральными камерами, для корпоративных приложений.

Мультиспектральные камеры улавливают свет в определенных диапазонах длин волн, или "полосах", в видимой и ближней инфракрасной областях электромагнитного спектра (400-1000 нм). Они эффективно фиксируют то измерение мира, которое наши глаза не в состоянии увидеть. Мы можем использовать эти диапазоны для проведения расчетов, таких как различные типы коэффициентов, которые показывают все - от растительного покрова до глубоководных структур, нарушений почвенного покрова и многого другого.

В Институте устойчивой добычи полезных ископаемых Университета Квинсленда мы использовали мультиспектральные камеры, которые помогают отслеживать восстановление, следить за местами закрытия шахт и составлять карты распределения оксидов железа в почвах и горных породах в качестве индикатора загрязнения кислотой шахтных дренажей.

Таким образом, с помощью простого и относительно экономичного оборудования, мы можем использовать одну и ту же платформу дронов для предоставления ценной информации по различным аспектам операций. Другими словами, дроны совместимы. В этом случае они предоставляют возможности для мультиспектральных и фотограмметрических технологий и полученной информации для обмена данными между группами по обследованию, хвостохранилищам, охране окружающей среды и ликвидацией последствий.
Тем не менее, мы знаем, что можем добиться большего. Мультиспектральные камеры улавливают лишь ограниченную информацию в своих «каналах» и имеют значительные промежутки между каналами. Наиболее распространенные датчики используют видимую и ближнюю инфракрасную части спектра, но пропускают коротковолновую инфракрасную передачу. Однако, если наши камеры смогут непрерывно собирать данные от видимого до коротковолнового инфракрасного диапазона (длина волны 400-2500 нм), с узкими шагами, а не широкими полосами, тогда мы откроем новый мир возможностей.

Сделать невидимое видимым

Именно здесь на помощь приходят гиперспектральные камеры, иначе известные как гиперспектральная визуализация.
Гиперспектральные камеры не являются чем-то новым и уже некоторое время наблюдают за нашим миром с самолетов, штативов, спутников или устанавливают на конвейерные ленты. Однако из-за своего веса коротковолновые гиперспектральные камеры для дронов являются новыми.

Сейчас мы начинаем оптимизировать эти камеры и преодолевать весовой барьер. На самом деле, гиперспектральные инструменты нового поколения для дронов способны охватывать как видимый, ближний, так и коротковолновый инфракрасный спектр (VNIR-SWIR) в одном.
Исследования показали, что в эту эпоху «за пределами видимого» существует множество новых возможностей для применения, особенно с учетом того, что в нашем распоряжении есть коротковолновое инфракрасное излучение. В частности, возможность сбора данных VNIR-SWIR с высоким разрешением помогает картографировать отдельные минералы, имеющие ключевое значение для горнодобывающей промышленности, такие как карбонаты, сульфаты и сульфосоли, глины, различные виды оксидов железа и филлосиликатные минералы, такие как хлорит, тальк, мусковит и другие.

Это ошеломляющее разнообразие полезных ископаемых хорошо известно в мире геологоразведки как важное для определения направления поиска ресурсов. Однако полезные ископаемые, возможно, имеют еще большую ценность для геометаллургии и переработки полезных ископаемых, что открывает возможность использования беспилотных летательных аппаратов в качестве системы раннего предупреждения от цеха до завода для отслеживания руды и отходов, поступающих на заводы по переработке полезных ископаемых.

Другие области применения включают мониторинг химического состава загрязненной воды в ручьях или составление карт разнообразия видов растений и их состояния в зонах реабилитации. Гиперспектральные камеры, установленные на беспилотных летательных аппаратах, уже используются для создания автоматических геологических карт карьеров, доступ к которым запрещен геологам.

Спутники уже давно используют коротковолновое инфракрасное излучение и другие полезные длины волн. Основными проблемами являются помехи, создаваемые облачным покровом, и пространственное разрешение отдельных пикселей, которое составляет от метров до десятков метров. Изображение с разрешением 10 на 10 м состоит из множества различных минералов, поэтому обработка спутниковых данных и деконволюция спектрального сигнала являются сложной задачей.

Преодоление препятствий с помощью беспилотных летательных аппаратов

Уникальные характеристики беспилотных летательных аппаратов позволяют нам преодолеть некоторые из этих недостатков.

Во-первых, дроны могут летать на меньших высотах, близко к поверхности земли. Это означает, что они собирают данные ниже облачного покрова и с очень высоким пространственным разрешением в пикселях. На самом деле, при необходимости можно получить разрешение ниже сантиметра.

Во-вторых, дроны могут с легкостью выполнять повторные обследования и потенциально могут сканировать отвесные стены, а также большие плоские участки. Это означает, что мы можем использовать дроны для обнаружения изменений и делать это в самых разных сценариях. Это качество является хорошим примером того, как дроны позволяют делать что-то новое, что ранее было невозможно.

Нетрудно представить, что ежедневные полеты производственных стендов и бортов карьеров приводят к полуавтоматическому обновлению геологических и ресурсных моделей и гораздо более регулярной сверке. Этот же инструмент может отслеживать изменения целостности инфраструктуры из-за коррозии при крупных капиталовложениях, таких как перерабатывающие предприятия.

Это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой. Так почему же наша отрасль не использует эту технологию на регулярной основе и не продвигает ее вперед? Простые рассуждения и привычные обвинения могут указывать на консерватизм в горнодобывающей промышленности, но эти обвинения несправедливы.

Правда в том, что технология является сложной задачей. Авиационные власти уже установили уровень соблюдения требований, выходящий за рамки обычных правил на рабочих местах или в горной промышленности. Это не является препятствием для отрасли, потому что мы очень хорошо работаем в соответствии с нормативно-правовой базой, но это требует профессиональной подготовки и временных затрат от специалистов горнодобывающей промышленности, которые и без того перегружены.

Основная проблема заключается в том, что обработка и интерпретация гиперспектральных данных требует глубоких знаний. Корпоративные программные решения для этого не так просты в использовании, и, что более важно, получение результатов может занять до трех недель. Такие сроки выполнения работ подходят для геологоразведочных работ и управления охраной окружающей среды в отрасли, но не подходят для операций и добычи, где достигается наибольшая выгода.

Консорциум M4Mining

В настоящее время технологии решают эти задачи, и Институт устойчивых полезных ископаемых и его европейские партнеры предлагают решения в рамках крупного европейского проекта под названием M4Mining.

В рамках этого трехлетнего проекта будет создана гиперспектральная система для беспилотных летательных аппаратов HySpex "под ключ", которая сможет передавать откалиброванные, исправленные и даже интерпретированные данные специалистам в области горного дела в течение 24 часов; на самом деле, цель состоит всего в четырех часах.

Это захватывающий проект, в котором мы объединим беспилотник с гиперспектральным сканером изображений, лидаром, камерой машинного зрения, карданным подвесом, который может поворачивать камеру под разными углами, и, что немаловажно, программными модулями для бортовой обработки данных. Эти технические аспекты - только половина пути.

Одной из целей M4Mining является разработка и демонстрация экономически эффективного метода регулярного картографирования, мониторинга и прогнозирования геоопасности, а также управления горными работами, включая запасы и хвостохранилища с течением времени. Это означает проведение серии тематических исследований по всей Австралии и Европе в условиях обнаружения, эксплуатации, закрытия и постзакрытия.

Мы также разрабатываем технические документы, касающиеся условий эксплуатации таких инструментов, и стратегии отбора проб, чтобы отрасль была в состоянии использовать лучшие практики.

Последним ключевым компонентом является понимание того, как данные, полученные с беспилотных летательных аппаратов, могут интегрироваться со спутниковыми данными, чтобы обеспечить гораздо более качественный продукт для промышленности. Обе технологии следует рассматривать как дополняющие друг друга, а не конкурирующие.

Время автономной работы беспилотных летательных аппаратов ограничено, и хотя они могут быть чрезвычайно экономичными для определенных применений, они приносят больше пользы отрасли, когда мы используем их данные для улучшения качества спутниковых данных, которые могут охватывать гораздо большие площади поверхности.

Вся эта работа не проводится в вакууме. Без нарушения прав интеллектуальной собственности некоторые данные и публикации будут опубликованы в течение всего срока действия проекта. Этот проект также остается открытым для участия представителей отрасли, и мы активно ищем партнеров, которые хотят как можно скорее получить представление о возможностях, существующих "за пределами видимости’.

Инфраструктура беспилотных летательных аппаратов в Институте устойчивых полезных ископаемых поддерживается AuScope и правительством Австралии в рамках Национальной стратегии совместной исследовательской инфраструктуры (NCRIS). Чтобы узнать больше, посетите сайт auscope.org.au.

Проект M4Mining финансируется программой Европейского союза Horizon Europe в рамках грантового соглашения ID 101091462. Для получения дополнительной информации посетите www.m4mining.eu