Developing a procedure to produce large-scale topographic maps of open-pit mines using rotary wing unmanned aerial vehicles
Abstract
Recently, the rapid development of unmanned aerial vehicle (UAV) has led to increasingly popular applications of this technology in the field of surveying and mapping. This article presents the result of developing a procedure to produce large-scale topographic maps for open-pit mines in Vietnam in which unmanned aerial vehicles (UAV) are used to collect data. With the goal of creating a procedure that ensures accuracy, safety, and efficiency for the production of topographic maps, the theories and official regulations for measuring and editing topographic maps in general and in mines in particular, as well as using drones in Vietnam have been applied. The procedure is specifically developed for the vertical takeoff and landing (rotary) UAVs. Experiments consisting of the flight altitude calculation, determining the appropriate take-off position, and image acquisition were conducted at two open-pit mines, namely Dong Da Mai coal mine and Long Son quarry to verify the procedure. The digital surface models (DSM) and orthophotos are generated from the acquired photos, georeferenced to the VN-2000 coordinate system using ground control points (GCP), and evaluated with checkpoints. In addition, the experiment included the investigation of the various combination of GCP networks to determine the optimal GCP number for each case. Experimental results show that the procedure is logical, correct, straightforward, safe, and effective. UAV resulted products, such as orthophotos, DSM, and topographic maps were accurate and met the requirements of all the national standards.References
Agisoft, (2019). Agisoft Metashape User Manual: Professional Edition, Version 1.5.
Agüera-Vega, F., Carvajal-Ramírez, F., Martínez-Carricondo, P., (2017). Accuracy of Digital Surface Models and Orthophotos Derived from Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry. Journal of Surveying Engineering, 143(2), 0401 6025. doi:10.1061/(ASCE)SU.1943-5428 000 0206.
ASPRS, (2015). New Asprs Positional Accuracy Standards for Digital Geospatial Data Released. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 81(4), 277. doi:https://doi. org/10.1016/S0099-1112(15)30074-4.
Bộ Công Thương, (2015). Tiêu chuẩn Việt Nam ngành Trắc Địa Mỏ. In. Hà Nội: Viện tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam.
Bộ Tài nguyên và Môi trường, (2015). Thông tư 68/2015/TT-BTNMT: Quy định kỹ thuật đo đạc trực triếp địa hình phục vụ thành lập bản đồ địa hình và cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000. In. Hà Nội.
Bộ Tài nguyên và Môi trường, (2021). Quy định kỹ thuật thu nhận và xử lý dữ liệu ảnh số từ tàu bay không người lái phục vụ xây dựng, cập nhật cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia tỷ lệ 1:2.000, 1:5.000 và thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1:500, 1:1.000, Hà Nội.
Bui, T.D., Nguyen Q.L., Bui, X.N., Nguyen, V.N., Pham, V.C., Le, V.C., Bjørn, K., (2017). Lightweight Unmanned Aerial Vehicle and Structure-from-Motion Photogrammetry for Generating Digital Surface Model for Open-Pit Coal Mine Area and Its Accuracy Assessment. International Conference on Geo-Spatial Technologies and Earth Resources, 17-33.
Công ty cổ phần công nghệ Nguyễn Kim, (2020). Máy toàn đạc điện tử Topcon ES -105, https://thietbidodac.vn.
China, G. B., (2008). Specifications for aero-photogrammetric office operation of 1:500, 1:1.000, 1:2.000 topographic maps. China National Standardization Management Committee.
Cryderman, C., Mah, S.B., Shufletoski, A., (2014). Evaluation of UAV Photogrammetric Accuracy for Mapping and Earthworks Computations. Geomatica, 68(4), 309-317. doi: 10.5623/ cig2014-405.
DJI, (2017). DJI Phantom 4 Professional Visionary Intelligence Elevated Imagination. https:// www.dji.com/phantom-4-pro
DJI, (2020). Phantom 4 RTK Visionary Intelligence, https://www.dji.com/phantom-4-rtk.
Đỗ, T.S., Nguyễn. A.T., Hoàng, H., Võ. T.L., Nguyễn, N.T.V, Võ, V.T., Lê, N.T.P., Phạm, T.T.A., Đặng, M.Q., (2019). Kết hợp dữ liệu đám mây điểm từ các thiết bị 3D Laser scanning và phương tiện bay không người lái (UAV) nhằm thu thập thông tin mô hình công trình xây dựng. Tạp chí Xây Dựng Việt Nam, 4, 39-42.
Jacobsen, K., (2005). Photogrammetry and geoinformation trends in large scale mapping.
Lê, V.C., Cao, X.C., Lê, T.T.H., (2020a). Nghiên cứu lựa chọn vị trí cất cánh phù hợp với điều kiện địa hình ở mỏ lộ thên cho thiết bị bay không người lái có tích hợp GNSS động khi đo vẽ thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn. Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, 61(05):54-63.
Le, V. C., Cao, X. C., Nguyen, Q. L., Le, T. T. H., Tran, T. A., Bui, X. N., (2020b). Experimental Investigation on the Performance of DJI Phantom 4 RTK in the PPK Mode for 3D Mapping Open - Pit Mines. Journal of the Polish Mineral Engineering Society, 2, 65-74. doi: http://doi.org/10.29227 /IM-2020-02-10.
Lee, S., Choi, Y., (2015). Topographic survey at small-scale open-pit mines using a popular rotary-wing unmanned aerial vehicle (drone). Tunnel and underground space, 25(5), 462-469.
Lee, S., Choi, Y., (2016). Reviews of unmanned aerial vehicle (drone) technology trends and its applications in the mining industry. Geosystem Engineering 19(4), 197-204.
Martínez-Carricondo, P., Agüera-Vega, F., Carvajal-Ramírez, F., Mesas-Carrascosa, F.-J., García-Ferrer, A., Pérez-Porras, F.J., (2018). Assessment of UAV-photogrammetric mapping accuracy based on variation of ground control points. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 72, 1-10. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag. 2018.05.015.
Nguyễn, Q.L., (2021a). Nghiên cứu đề xuất qui trình thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn 1:2000, 1:1000 và 1:500 cho địa hình khu vực mỏ lộ thiên tại Việt Nam trên cơ sở ứng dụng UAV giá thành thấp và máy ảnh thông thường. Đề tài cấp Bộ, mã số B2020-MDA-14.
Nguyen, Q.L., (2021b). Accuracy assessment of open-pit mine’s digital surface models generated using photos captured by Unmanned Aerial Vehicles in the post-processing kinematic mode. Journal of Mining and Earth Sciences 62(4), 38-47.
Nguyen, Q.L., Goyal, R., Bui, K.L., Cao, X.C., Le, V.C., Nguyen, Q.M., Bui, X.N., (2021c). Optimal choice of the number of ground control points for developing precise DSM using light-weight UAV in small and medium-sized open-pit mine. Archives of Mining Sciences 66(3):369-384.
Nguyen, Q.L., Goyal, R., Le, V.C., Cao, X.C., Pham, V.C., Bui, N.Q., Bui, K.L., (2020a). Influence of Flight Height on The Accuracy of UAV Derived Digital Elevation Model at Complex Terrain. Inzynieria Mineralna, 45(1):179-187.
Nguyen, Q.L., Le, T.T.H., Tong, S.S., Kim, T.T.H., (2020b). UAV Photogrammetry-Based For Open Pit Coal Mine Large Scale Mapping, Case Studies In Cam Pha City, Vietnam. Sustainable Development of Mountain Territories, 12(4), 501-509.
Nguyễn, Q.L., Cao, X.C., (2019). Ứng dụng máy bay không người lái (UAV) để xây dựng mô hình số bề mặt và bản đồ mỏ lộ thiên khai thác vật liệu xây dựng. Công nghiệp mỏ, 1(9).
Sona, G., Pinto, L., Pagliari, D., Passoni, D., Gini, R., (2014). Experimental analysis of different software packages for orientation and digital surface modelling from UAV images. Earth Science Informatics, 7(2), 97-107. doi:10. 1007/s12145-013-0142-2.
Taddia, Y., Stecchi, F., Pellegrinelli, A., (2020). Coastal Mapping using DJI Phantom 4 RTK in Post-Processing Kinematic Mode. Drones, 4, 9. doi:10.3390/drones4020009.
Tomaštík, J., Mokros, M., Surovy, P., Grznárová, A., Merganič, J., (2019). UAV RTK/PPK Method - An Optimal Solution for Mapping Inaccessible Forested Areas. Remote Sensing, 11, 721. doi: 10.3390/rs11060721.
Võ, C.M, Nguyễn, Q.L., (2014). Tích hợp giả vệ tinh và GPS/PPK góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế công tác đo vẽ bản đồ mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu. Tạp chí Công nghiệp mỏ 4.
Võ, C.M., Võ, N.D., Nguyễn, Q.L., Đinh, C.Đ., (2010). Khả năng ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu (GPS) quản lý hoạt động các phương tiện vận tải trong các mỏ lộ thiên Việt Nam, Tạp chí Công nghiệp Mỏ, 1.
Xiang, J., Chen, J., Sofia, G., Tian, Y., Tarolli, P., (2018). Open-pit mine geomorphic changes analysis using multi-temporal UAV survey. Environmental earth sciences 77(6), 1-18.
