王國飛

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦， 山西 柳林 033300)

目前，煤礦在地面測繪及采后地質(zhì)災(zāi)害普查方面主要采取常規(guī)的人工布點(diǎn)測量和通過地表變形觀測站進(jìn)行觀測來獲取基礎(chǔ)資料。常規(guī)測繪和觀測需要布置大量的測點(diǎn)來提高測繪精度，同時(shí)測量受地表?xiàng)l件的影響，對溝壑地段、起伏較大區(qū)域、陡坡區(qū)域無法做到均勻布點(diǎn)，且采后容易發(fā)生滑坡、塌陷等災(zāi)害。常規(guī)的測量手段周期長、勞動強(qiáng)度大、精準(zhǔn)度低、觀測范圍有限且在特殊地段存在較大安全隱患。如何形成布點(diǎn)均勻、測量精準(zhǔn)、安全高效的測量技術(shù)是解決上述難題的關(guān)鍵。

1 無人機(jī)遙感監(jiān)測原理

通過大疆M600無人機(jī)搭載禪思X5相機(jī)完成研究范圍內(nèi)高分辨率影像獲取，利用整合精密測時(shí)技術(shù)和載波相位差分技術(shù)來實(shí)時(shí)獲取每一張像片拍攝的準(zhǔn)確位置，利用PhotoScan軟件對無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)全自動化處理，獲得大比例尺的DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，再使用ArcGIS分析地裂縫、沉陷、滑坡和坍塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的范圍，并提取屬性。無人機(jī)遙感監(jiān)測流程見圖1.

圖1 無人機(jī)遙感監(jiān)測流程圖

2 無人機(jī)遙感監(jiān)測方法

2.1 無人機(jī)遙感監(jiān)測測繪步驟

1) 目測飛行場地，實(shí)地進(jìn)行踏勘，確認(rèn)測區(qū)地點(diǎn)、范圍、起飛和降落區(qū)內(nèi)無禁飛區(qū)和其他影響。

2) 根據(jù)測量區(qū)域確定坐標(biāo)系統(tǒng)、攝區(qū)范圍，設(shè)置航攝參數(shù)，如航攝分辨率、重疊度、航攝高度等。根據(jù)測區(qū)地形條件及測區(qū)形狀布設(shè)航線及航線方向。

3) 選擇基站，采用三角架嚴(yán)密對中觀測3次，成果取平均值作為基站坐標(biāo)值，每次測量前都重新初始化，待信號穩(wěn)定后再繼續(xù)下一次數(shù)據(jù)采集。均勻布置檢查點(diǎn)，分別位于測區(qū)的四周和中心，能夠反映地形起伏條件，具有代表性。檢查點(diǎn)采用白灰布設(shè)為矩形“十”字。

4) 航線確定后進(jìn)行檢查，確保任務(wù)覆蓋滿足要求，然后根據(jù)飛行任務(wù)進(jìn)行安全和應(yīng)急設(shè)置。檢查飛機(jī)姿態(tài)和拍照是否正常，檢查完畢后，即可發(fā)送航線。起飛后觀察GPS定位精度、飛機(jī)姿態(tài)、電源電量、飛行軌跡情況。飛機(jī)降落后，將POS數(shù)據(jù)和照片下載保存到安全位置；檢查相片數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)是否一致，相片質(zhì)量是否清晰完整。關(guān)閉自駕儀及飛機(jī)電源，進(jìn)行回收作業(yè)。

2.2 PhotoScan處理航拍影像

PhotoScan數(shù)據(jù)處理軟件對無人機(jī)航拍照片進(jìn)行處理，通過導(dǎo)入具有一定重疊率的數(shù)碼影像，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的正射影像生成及三維模型重建，整個(gè)工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程完全自動化。

利用基站點(diǎn)進(jìn)行絕對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，經(jīng)對齊照片、自動像點(diǎn)匹配、不合格點(diǎn)剔除、照片深度匹配、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理等程序，生成高密度點(diǎn)云、正射影像(DOM)、地形模型(DTM)和高程模型(DEM). 利用高密度點(diǎn)云生成等高線和高程點(diǎn)，疊加正射影像、DEM采集地物，進(jìn)行等高線編輯、地物繪制，地形圖生產(chǎn)。

2.3 ArcGIS分析礦山地質(zhì)災(zāi)害

ArcGIS是通過PhotoScan生成的數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)疊加，生成真實(shí)地形的模擬三維影像。通過空間分析結(jié)合目視解譯確定已崩塌區(qū)、潛在崩塌區(qū)，滑坡區(qū)、潛在滑坡區(qū)，泥石流及潛在泥石流發(fā)生區(qū)，通過空間分析結(jié)合目視解譯確定地裂縫、地面塌陷等，并計(jì)算其面積和拐點(diǎn)坐標(biāo)。

3 無人機(jī)遙感監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)用

雙柳煤礦在2019年前對采空區(qū)影響范圍主要通過人工勘探、觀測站觀測，工作量大、工作范圍有限、工作周期長。由于該礦地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)內(nèi)，植被稀疏，采后滑坡、塌陷嚴(yán)重，對人和車的安全造成隱患，一些溝壑區(qū)域無法進(jìn)行測繪。為了解決該問題，2019年7月對該礦當(dāng)年形成的采空區(qū)進(jìn)行了無人機(jī)現(xiàn)場航拍測繪工程和數(shù)據(jù)處理，并遙感解譯。無人機(jī)測繪地形效果與人工測繪效果對比見圖2.

圖2 無人機(jī)與人工測繪地形效果對比圖

該技術(shù)的應(yīng)用提高了測繪效率，5 cm以上的裂縫識別率與準(zhǔn)確率達(dá)到了95%以上，地物地貌平面位置平均誤差在3 cm以內(nèi)，地表高程平均誤差在3 cm以內(nèi)，人的安全更有保障，對航拍結(jié)果自動成像、自動分析處理，同時(shí)普查不受地表?xiàng)l件的影響，范圍更廣，對處理結(jié)果更加精準(zhǔn)為采后地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和地質(zhì)修復(fù)等提供有力依據(jù)。

較傳統(tǒng)技術(shù)流程，無人機(jī)遙感監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)更多，能夠監(jiān)測到人工測不到的地點(diǎn)，人工測量有局限性，測量數(shù)據(jù)較少，通過在雙柳煤礦采空區(qū)的應(yīng)用試驗(yàn)，人工測量取得100組左右數(shù)據(jù)，使用無人機(jī)遙感監(jiān)測得到了數(shù)千組測量數(shù)據(jù)，而繪圖的精度和識別度與測點(diǎn)數(shù)量和數(shù)據(jù)多少有直接關(guān)系，因此利用無人機(jī)遙感監(jiān)測處理結(jié)果更加精準(zhǔn)和準(zhǔn)確。

無人機(jī)遙感監(jiān)測和傳統(tǒng)勘察、測量數(shù)據(jù)對比分析，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用在未降低數(shù)據(jù)精度前提下，減少了戶外作業(yè)勞動強(qiáng)度，對1個(gè)采空區(qū)的普查人工通常需要35天，每次需要4～5人，而無人機(jī)每次投入2人，1天內(nèi)就可完成，提高了勘測效率，降低了成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。在特殊危險(xiǎn)區(qū)域可避免人員直接進(jìn)入測量，通過照片分析獲取數(shù)據(jù)使測點(diǎn)更加合理準(zhǔn)確，而采用數(shù)據(jù)自動化處理分析，縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)效率和測量精度。

4 結(jié) 論

1) 無人機(jī)遙感監(jiān)測測繪在雙柳煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用是可行的，同人工測繪相比，提高了礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查效率和精度，節(jié)約了人力和時(shí)間成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益，可為礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃和治理提供依據(jù)。

2) 無人機(jī)遙感監(jiān)測測繪技術(shù)的應(yīng)用可以有效避免在勘察時(shí)因采后塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害引起的人身傷害事故的發(fā)生，同時(shí)可避免人員直接進(jìn)入特殊危險(xiǎn)區(qū)測量，降低風(fēng)險(xiǎn)。

3) 由于無人機(jī)機(jī)身較輕，在飛行過程中受天氣影響較大，特別是在較高空飛行拍攝時(shí)，受氣流影響飛行穩(wěn)定性較差，成像清晰度受到影響，可以對無人機(jī)動力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以減少氣流對無人機(jī)成像的干涉。