UAV im Bergbau

Stellen Sie sich eine Mine vor, in der eine Planungssoftware automatisch eine Flotte von UAV (Unmanned Aerial Vehicles) beauftragt, völlig autonom hochaufgelöste Koordinatenscans, Bilder und andere Fernerkundungsdaten des gesamten Geländes zu erfassen. Messdaten von Böschungen, Halden, Deponien, Abgangssperren, Sprengungen und Anlagen werden in ein und derselben Software gesammelt und in aussagekräftige Informationen als Grundlage für schnelle, fundierte Entscheidungsfindungsprozesse umgewandelt.

Dieses Szenario ist bereits in greifbare Nähe gerückt. Schon heute übernehmen UAV im Bergbau viele Aufgaben. Langsam nähern sich auch die gesetzlichen Vorgaben an die Realität dieser Technologie an. Dem ASDReport „UAV Drones Market – Global Forecast to 2022“ zufolge soll der UAV-Markt international bis 2022 rund 20 Prozent pro Jahr wachsen und ein Volumen von 19,73 Mrd. EUR aufweisen.

„Es gab praktisch immer schon Bereiche in Minen, in die man sich aus Sicherheitsgründen nicht zu Fußwagen sollte bzw. die ohnehin gesperrt sind“, erklärt Bryan Baker, bei Leica Geosystems Verkaufsleiter für UAV. „Dazu zählen beispielsweise Krone und Fuß von Böschungen, in Betrieb befindliche Maschinen sowie Halden und Deponien oder Sprengzonen.“

An solchen Orten ist es schwierig – um nicht zu sagen unmöglich –, Messungen mit einer Latte, einer Totalstation oder mittels GNSS durchzuführen. UAV-gestützte Luftbildaufnahmen und Fernerkundungsmissionen erlauben die Erfassung aller benötigten Daten, ohne dass sich jemand dafür in Gefahr begeben muss. Gleichzeitig ist es jedoch auch wichtig, bei der Nutzung von UAV den Schutz von Menschen, Infrastruktur, sonstigen Objekten und des öffentlichen Luftraums zu gewährleisten. Das erfordert die Einhaltung strenger Sicherheitsstandards und die Absolvierung einer ernstzunehmenden Pilotenausbildung.

„Dieser Aufwand wird durch den Wert der mittels UAV-Technologie gesammelten Daten bei weitem gerechtfertigt“, ist Baker überzeugt.

Hexagon zählt zu den Unternehmen, die den Einsatz von UAV im Bergbau vorantreiben. Die Optimierung von Sprengungen, eine Erhöhung der Sicherheit, schnellere Vermessungsvorgänge und der Aufbau umfassender, laufend aktualisierter Datenbestände sind nur einige der Vorteile dieser Technologie. 

ENTWICKLUNG VON UAV

„Grundsätzlich gibt es Luftbildfotografie schon so lange wie Flugzeuge“, meint Baker. „Doch für Anwendungen im Bergbau war die herkömmliche Photogrammetrie mit Flugzeugen zu teuer und aufwändig. Unbemannte Flugkörper wie UAV hingegen sind eine ideale Lösung für die Datenerfassung im Bergbau. Die Erfindung des Lithium-Polymer-Akkus war ein dann ein entscheidender Meilenstein für die Weiterentwicklung der Photogrammetrie aus der Luft.“

Dadurch lassen sich kleine Flugkörper, die eine Kamera tragen, mit Elektromotoren mit hoher Leistung sicher betreiben. Diese Technologie erlaubt uns die Datenerfassung praktisch in Echtzeit in Gebieten, die uns andernfalls nicht oder nur schwer zugänglich wären. Ob bei der Überprüfung der Fragmentierung nach einer Sprengung, der Ermittlung des Volumens einer Halde oder einer anderen der unzähligen Anwendungen im Bergbau – alle benötigten Informationen können rasch und sicher gesammelt werden.

UAV BEI HEXAGON GEOSYSTEMS

Aibotix, das Unternehmen das innerhalb des Hexagon Geosystems-Konzerns UAV entwickelt, überschreitet mit seinem Flaggschiffprodukt Aibot X6 immer wieder die Grenzen des Machbaren in der Photogrammetrie. Das Aibot X6 ist ein autonom fliegender Hexakopter, das eigens für anspruchsvolle Messaufgaben in der Vermessung, im Bergbau und bei der Inspektion von Industrieanlagen konzipiert wurde. Das mit einem hohen Maß an künstlicher Intelligenz ausgestattete UAV erreicht fast jedes Ziel und ermöglicht die unabhängige Generierung hochaufgelöster Bilder und Videos. Die Nutzung mit unterschiedlichen Erfassungssystemen, darunter Hyper- und Multispektralsensoren, Infrarot- und Wärmebildkameras sowie Spezialsensoren für andere spezifische Anwendungen bietet nur das Aibot X6.

Die Vermessungstechnologien der Zukunft sind dynamisch und flexibel. Die mit dem Aibot X6 erfassten Daten für kommerzielle Anwendungen und die Softwarelösungen von Aibotix und Hexagon ermöglichen Minenbetreibern die Erstellung von Orthofotos, 3D-Modellen und hochdichten Punktwolken mit größter Genauigkeit.

Über die Flugplanungssoftware Aibotix AiProFlight lassen sich alle für die professionelle Photogrammetrie benötigten Parameter einfach verwalten. Die Fähigkeit des Aibot X6, über einem Objekt zu schweben und Bilder aus beliebigen Winkeln zu erfassen, macht ihn zum idealen Hilfsmittel für die Überwachung und Ermittlung des Volumens von Halden und Deponien, aber auch zur Gesteinsklassifikation und zur Inspektion von Gebäuden, Geräten und Böschungen.

Zur Vermessung größerer Flächen aus der Luft hat Aibotix vor kurzem das Starrflügler-UAV RF-70 in sein Portfolio aufgenommen. Das RF-70 ist in der Lage, bis zu eine Stunde lang mit höherer Geschwindigkeit zu fliegen und so pro Flug bis zu 2,6 Quadratkilometer Fläche zu vermessen. Mit diesem UAV lässt sich spielend das gesamte Gelände einschließlich Absetzbecken, Deponien und Laugungshalden erfassen.

Das RF-70 verfügt über dieselben Funktionen für Flugplanung und Datenfassung wie das Aibot und ergänzt diesen durch seine höhere Reichweite für die einfache und schnelle Vermessung größerer Anlagen wie Minen ideal. Erweitert man diese Systeme noch um einen Laserscanner für Messungen am Boden, erhält man ein umfassendes Bild einer jeden Mine aus allen Perspektiven. Die digitale Mine der Zukunft wird von all diesen Vermessungssensoren sowie von automatisierter Steuerungs- und Verarbeitungssoftware Gebrauch machen, um komplette digitale Modelle von Anlagen zu erstellen.

MINESIGHT – DIE GEOLOGIE- UND PLANUNGSSOFTWARE

„Die Planungssoftware MineSight für den Bergbau von Hexagon ist für die Arbeit mit Punktwolken bestens gerüstet“, erklärt Johnny Lyons-Baral, Applikationsingenieur für Anwendungen im Bergbau bei Hexagon. „Die Punktwolken werden sehr detailgetreu wiedergegeben, ähnlich wie bei Computerspielen. Die Software kann Milliarden von Punkten gleichzeitig anzeigen. Durch intelligentes Rendering werden hochaufgelöste Bilder angezeigt. Mit dem Point Cloud Mesher von MineSight lassen sich große Datensätze in topografische Geländemodelle, Tunnel, Gänge, Kammern und alle anderen in den Punktwolken erfassten Festkörper und Oberflächen umwandeln. So gelingt der rasche Sprung von der Datenerfassung im Feld zur Auswertung der Informationen zu Optimierungszwecken. Die Software bereinigt die Messdaten und entfernt Ausreißer und Störgrößen, damit für die nachgelagerten Prozesse makellose Modelle zur Verfügung stehen. Das optimierte Modell kann zur Extraktion von Elementen und zur geologischen Interpretation mit der farbigen Punktwolke überlagert werden.“

 SPRENGUNG UND ZERKLEINERUNG

Ein erheblicher Anteil der Energiekosten jeder Mine entfällt auf das Zerkleinern und Mahlen von Erzen. Schätzungen des US-Energieministeriums zufolge fließen zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs in Zerkleinerungsvorgänge. Dementsprechend wirkt sich die Zerkleinerung mittels Sprengung entscheidend auf nachgelagerte Faktoren wie Energieverbrauch, Extraktion, Ertrag und letztlich den Profit aus. Eine Voraussetzung für effiziente Zerkleinerungs- und Mahlvorgänge ist richtig gesprengtes Ausgangsmaterial. So kann die ungünstige Fragmentierung eines gesprengten Erzvorkommens eine Mine buchstäblich Millionen Dollar kosten.

Photogrammetrie aus der Luft und Punktwolken- Technologie können entscheidende Beiträge zur Optimierung von Sprengvorgängen leisten. Durch die Vermessung von Lagerstätten können innerhalb des Sprengvolumens kritische Bereiche erkannt werden, bei deren Sprengung sich gefährliche Sprengstücke lösen könnten. Eine Analyse der Wandgeologie kann außerdem zur Gesteinsklassifikation einschließlich der Ermittlung der Verteilung der Blockgröße nach der Sprengung dienen. Videos von Sprengvorgängen, die UAV aus einer sicheren Vogelperspektive erfassen, werden immer häufiger zur Ermittlung des Erfolgs von Sprengungen genutzt. Nach der Sprengung können anhand von UAV-Daten Materialbewegungen analysiert und Abgrenzungen zwischen Erz und Abraum sowie Fragmentierungsanalysen vorgenommen werden. Mit diesen Methoden lernen Bergbaubetriebe ihre geologischen Gegebenheiten besser kennen und können sich ein Bild vom Erfolg ihrer Sprengungen machen, um ihre Tätigkeit anhand dieses Wissens zu optimieren. 

GEOLOGIE UND GEOTECHNIK

Aus geologischer und geotechnischer Sicht gibt es unzählige Möglichkeiten zur Sammlung mineralogischer und lithologischer, aber auch struktureller und geomorphologischer Daten, Formen usw.. Zudem sind zahlreiche Automatisierungsvarianten im UAV- und punktwolkenbasierten Workflow denkbar, zum Beispiel bei der Interpretation von Daten, bei ihrer Nutzung für die Konzeption künftiger Anlagen oder bei ihrer Zusammenführung.
„So könnte eine Software basierend auf den Bilddaten nach einer Sprengung automatisch ein Polygon mit Vorschlägen für die Lagerung von Erz und Abraum anzeigen“, wagt Lyons-Baral einen Blick in die Zukunft. „Sogar die Erfassung von Hyperspektraldaten wäre eine Möglichkeit. Dabei werden die Spektralsignaturen verschiedener zuvor definierter Gesteinstypen ermittelt.“

 AUSBLICK

Künftig werden UAV länger und weiter fliegen und dabei mit unterschiedlichen und schwereren Sensoren ausgestattet werden können. Eine Flotte von verschiedenen Fluggeräten – Starrflügler oder Multikopter, am ehesten eine Kombination der beiden Technologien – wird täglich autonom von der Bergbau-Planungssoftware auf den Weg geschickt, um Daten zu erfassen und diese in eine Cloud hochzuladen, wo sie zur Unterstützung von Extraktions-, Analyse-, Entscheidungsfindungs- und Optimierungsprozessen zur Verfügung stehen.

Dieser Artikel ist in einer abgewandelten Fassung bereits im Fachmagazin World Coal erschienen.