基于無人機航攝技術(shù)的礦山地質(zhì)災害預警模型

高維寅

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局天水礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741024）

近年來，經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的需求也越來越大，與此同時，礦產(chǎn)開發(fā)活動日漸加深，規(guī)模也越來越大，為經(jīng)濟社會提供了充足的能源。但是與此同時，也造成了巨大的生態(tài)環(huán)境破壞，污染環(huán)境問題變得越發(fā)突出起來，并且還造成各類嚴重的地質(zhì)災害，不僅對人們的生產(chǎn)生活造成很大影響，而且現(xiàn)已成為阻礙經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素[1]。下文利用無人機遙感技術(shù)對礦區(qū)的正射影像及大場景立體正射影像對進行獲取的基礎(chǔ)上，對礦山開發(fā)活動造成的各種影響進行定性和定量分析，并探討礦山地質(zhì)災害的類型即其規(guī)模和危害與損失，研究礦山開采活動給工程設(shè)施以及建筑物造成的破壞與影響，希望能為相關(guān)工作提供一定的參考價值。

1 無人機低空遙感系統(tǒng)

無人機低空遙感系統(tǒng)是基于無人飛行平臺基礎(chǔ)上，借助其機載的數(shù)碼攝像設(shè)備，對目標實施拍攝與記錄，并在相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)上，分析處理影像數(shù)據(jù)，進而實施的監(jiān)測與調(diào)查地面信息。無人機遙感系統(tǒng)主要由空中飛行器以及相應的數(shù)據(jù)模塊以及地面監(jiān)控模塊所構(gòu)成[2]。無人機的飛行路線以及其平穩(wěn)運行主要受空中飛行及相關(guān)數(shù)據(jù)模塊所控制，同時將獲取的飛行數(shù)據(jù)以及獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進行地面?zhèn)鬏?。無人機飛行系統(tǒng)以及遙感系統(tǒng)和飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。無人機飛行姿態(tài)的調(diào)整以及其命令獲取和數(shù)據(jù)接收與監(jiān)控等，主要通過地面監(jiān)控模塊來實現(xiàn)，其模塊組成主要包括飛行器狀態(tài)監(jiān)控以及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和地面控制命令模塊等組成。

2 礦山地質(zhì)災害無人機航攝技術(shù)探測方法和流程

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

針對研究區(qū)，利用無人機飛行平臺，搭載數(shù)碼相機進行數(shù)據(jù)獲取和處理，數(shù)字影像優(yōu)于0.20m，分別達到80%的航向重疊與50%的旁向重疊。針對礦山地質(zhì)災害進行詳細的探測，在此基礎(chǔ)上獲得該區(qū)的數(shù)字正射影像與立體正射影像對。

（1）正射影像。對野外像孔點進行實際監(jiān)測，通過DPUrid軟件來有效處理影像數(shù)據(jù)，改正畸變，匹配影像以及對空中三角測量進行解析，生成數(shù)字高程模型和拼接正射影像，最終將區(qū)內(nèi)分辨率2.20m的正射影像進行獲取[3]。

（2）立體正射影像對。是將研究區(qū)進行每個航帶以及多條航帶的各個模型進行一個大場景立體模型的構(gòu)建，通過斜平行投影手段進行制作，其步驟主要為：①xy平面位置上方形格網(wǎng)呈一定間隔，在數(shù)字高程上進行正射投影，將Xi、Yⅰ、Zⅰ坐標進行獲取，并利用共線方程對xⅰ，yⅰ坐標上相應的像點進行獲取，通過該影像進行正射影像制作；②通過XY平面相同方格網(wǎng)，根據(jù)吧格網(wǎng)點在數(shù)字高程表面根據(jù)平行投影方向進行格網(wǎng)投影，XZ面和此投影呈現(xiàn)平行特點，將DEM表面和此投影相較的X1ⅰ,Y1ⅰ,Z1ⅰ坐標進行獲取;③把X1ⅰ,Y1ⅰ,Z1ⅰ等與投影的平行的地表點坐標，依照中心投影方程式在右側(cè)影響上進行改變，獲知完善的影像斷面數(shù)據(jù)，通過x1ⅰ,y1ⅰ數(shù)據(jù)進行立體匹配片制作。通過上面的制作，獲取正射影像以及立體匹配片，形成大場景立體正射影像對。能夠?qū)⒌匦稳S信息全面的獲取出來，有效提升地形可視化程度，在立體觀察設(shè)備下，便能夠進行立體測量、瀏覽以及顯示，更好的識別礦山地質(zhì)災害。

（3）礦山開發(fā)對土地資源的影響與破壞。依照礦區(qū)地物的光譜以及紋理和形狀等影像在正射影上的特點，開展人工解譯，礦區(qū)分布著大量的旱地，呈現(xiàn)不均勻的色調(diào)特征，表現(xiàn)為土黃色以及深綠色，形狀表現(xiàn)為不規(guī)則特點以及長方形，有小路與陡坎存在于相鄰旱地之間；樹木以及水源和交通要道在附近，表現(xiàn)為灰色；在居民以及旱地中穿插公路，表現(xiàn)為灰色和白色，水體表現(xiàn)為帶狀的青綠色，其間還有小船；農(nóng)村在基地以及溝渠和河流分布在林地中，表現(xiàn)為均勻色調(diào)的白色，有的呈現(xiàn)片狀有的呈現(xiàn)為條帶狀。具有類似特征的地物以及具有較大起伏的區(qū)域，利用大場景立體正射影進行觀察，對其有效驗證，并對結(jié)果進行判讀。

2.2 礦山地質(zhì)災害的類型及影像特征

地裂隙以及地面塌陷是主要的地質(zhì)災害類型。地面塌陷是因礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，缺少地下支撐，地下水位減低，引發(fā)巖土體出現(xiàn)下陷，主要表現(xiàn)為塌陷盆地以及塌陷坑存在。在溝渠以及居民地和旱地區(qū)域分布塌陷坑，分布特點多獨立存在，表現(xiàn)為長方形，直徑大小不一，存在不同的色調(diào)，褐色分布在其邊緣位置，水在塌陷坑內(nèi)表現(xiàn)為褐色和深綠色。通過立體大場景正攝像，存在負地形，具有較好的立體效果，相較于正地形，立體效果與之相反，具有非常高的解譯性，區(qū)內(nèi)有43處塌陷坑，達到了71.628hm2的面積大小。

2.3 礦業(yè)活動對建(構(gòu))筑物和主要工程設(shè)施的影響與破壞

礦山開采作業(yè)，引發(fā)地面下沉導致相關(guān)工程設(shè)施以及建筑物破壞較大。依照礦區(qū)的采掘工程平面圖以及實測信息，對下沉系數(shù)以及水平移動和正切的影響系數(shù)等預測，同時對礦區(qū)采區(qū)矩形工作面以及平原信息，利用矩形工作面開采的平地概率積分法地表移動變形預計數(shù)學模型予以預測，對任何點的下沉值進行求得，文中主要通過地表移動變形預計軟件開展相應的預測工作，對礦區(qū)下沉等值線進行獲取，從而知曉該區(qū)的下沉情況和其影響范圍。

在ArcUIS軟件基礎(chǔ)上有效疊加正射影像和區(qū)內(nèi)下沉等值線，定性與定量分析工程設(shè)施以及建筑物受到地質(zhì)災害的影像。通常來說，超過1.5m深度下沉的區(qū)域?qū)儆趪乐貐^(qū)，而在0.5m～1.5m范圍內(nèi)屬于較嚴重區(qū)，0.01m～0.5m受害情況較輕微，而在0.0lm影響。

礦區(qū)地表移動變形受礦區(qū)開發(fā)活動影響較大，建筑物和地基存在的穩(wěn)定性被打破，引發(fā)建筑物出現(xiàn)歪斜與倒塌，對人們的生活造成很大影響，所以應當對受到影響的建筑物范圍位置和影響范圍進行及時的進行監(jiān)測，加強防治。對礦區(qū)的正射影像以及大場景立體模型進行運用，可以對礦區(qū)中建筑物位置，面積以及其個數(shù)進行精細探測，如有積水存在于一些建筑區(qū)域，引發(fā)開裂傾斜或者倒塌等。

公路以及專用的鐵路和電力設(shè)施以及河流等受影響較大，引發(fā)河堤發(fā)生下沉，知致使河流能以進行蓄水，和進行地表排泄等，溝渠受到影響之后，發(fā)生塌陷積水發(fā)生截斷，促進坑塘形成；影響公路及鐵路后，引發(fā)路面發(fā)生沉降，出現(xiàn)開裂。地面沉陷導致地面的電線桿發(fā)生傾斜或者倒掉。

3 結(jié)論

文中在礦山地質(zhì)災害監(jiān)測過程中，利用低空無人機遙感技術(shù)，活得非常好的應用效果，同時進行實地驗證，對礦區(qū)相關(guān)信息的提取準確性進行了驗證，結(jié)果顯示，無人機遙感技術(shù)，不僅能夠及時的獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，而且精確度非常高，大大提升了探測的精細化程度，具有非常高的數(shù)據(jù)分析精準性，可以精準的獲得礦區(qū)的地質(zhì)災害信息。相較于其他的遙感探測技術(shù)，無人機遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)災害探測過程中應用優(yōu)勢非常突出，具有很好的應用前景。