黃立鑫,李旺平,凌 晴,周兆葉,李月鋒
(1.甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司,蘭州 730000;2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730000;3.甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000)
尾礦庫是礦山工業(yè)生產(chǎn)中的三大控制性工程之一,同時也是礦區(qū)內(nèi)具有高勢能的重大危險源之一,通常為了便于尾礦庫的施工建設(shè),一般位于山谷之中,約90%的尾礦庫采用“上游式”筑壩工藝[1-2]。目前,我國現(xiàn)有的尾礦庫數(shù)量超過8 000座以上,總量位于世界第一[3],根據(jù)專家估計,這些尾礦庫中能夠正常運行的只有70%左右,其中一部分已經(jīng)成為危庫和病庫。近年來,我國發(fā)生了一系列尾礦庫事故,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡,并且對生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的破壞。2007年,遼寧鞍山尾礦庫發(fā)生潰壩事故,造成13人死亡[4];2008年9月8日,山西襄汾新塔礦業(yè)特大尾礦庫潰壩事故,造成了277人死亡[4];2010年9月,廣東紫金尾礦庫大壩坍塌事故造成直接經(jīng)濟損失達(dá)4.6億元[5];2020年3月,伊春鉬礦尾礦庫4號溢流井發(fā)生傾斜,造成依吉密河水受到污染,嚴(yán)重影響下游河流的水質(zhì)安全[6]。
為了減少尾礦庫潰壩、泄露等事故造成的嚴(yán)重后果,對其實施科學(xué)合理、實時有效的安全監(jiān)測是尾礦庫安全運營管理工作的重要內(nèi)容,并對其危險性進(jìn)行評價,為尾礦庫災(zāi)害預(yù)防治理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù),有效地減少尾礦庫災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)和生產(chǎn)生活帶來的損失。傳統(tǒng)的尾礦庫健康監(jiān)測方法是通過人工現(xiàn)場調(diào)查,或利用傳統(tǒng)的測量儀器獲取尾礦庫的幾何位置、裂縫形變等信息,這種作業(yè)模式效率低、數(shù)據(jù)完整性不強,更不能實現(xiàn)三維可視化的分析。目前,隨著3S技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展,無人機傾斜攝影測量技術(shù)也日益成熟,由于其具有作業(yè)高效率、運行成本低、機動靈活、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和能夠獲得高分辨率的影像等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于地形圖測繪[7]、道路規(guī)劃設(shè)計[8]、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)[9]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[10]和電力巡查[11]等諸多領(lǐng)域。
因此,文章基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取某金礦尾礦庫的正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和實景三維模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對尾礦庫進(jìn)行淹沒區(qū)域分析和庫容量計算,進(jìn)一步實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和綜合管理,更好地掌握尾礦庫的健康現(xiàn)狀,為尾礦庫災(zāi)害風(fēng)險早期識別和預(yù)報預(yù)警提供重要的依據(jù),對提高尾礦庫災(zāi)害及其災(zāi)害鏈的綜合監(jiān)測、實施國土空間規(guī)劃和自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程等都有重要的意義。
尾礦庫位于甘肅省瑪曲縣境內(nèi),設(shè)計尾礦庫屬于四等庫,庫型為傍山型,堆壩方式為三面筑壩,壩體為不透水碾壓石壩,初期壩高20 m,堆積壩高33 m,形成總庫容量455.7萬m3,有效庫容量364.56萬m3,尾礦庫運行時間為2015年11月,設(shè)計年限為7.5 a。測區(qū)內(nèi)平均高程3 350 m,地勢起伏較大,尾礦庫下游有大面積的草原牧場和居民地;地物種類稀少,主要以亞高山草甸草地、草原化草甸草地、草原草地低等矮植被為主。
在尾礦庫區(qū)域內(nèi)選取地勢較高、視野開闊、視場內(nèi)障礙物的高度角不超過15°的區(qū)域均勻布設(shè)12個像控點,按順序?qū)ζ溥M(jìn)行編號,測區(qū)內(nèi)編號不能重復(fù)。像控點在實地用紅色油漆噴制十字標(biāo)記,寬10 cm,長40 cm,噴漆清晰平直、易于辨認(rèn),點位旁邊標(biāo)注點名。
基于衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)(CORS)為基礎(chǔ),通過GNSS-RTK觀測的方法獲取高精度的像控點坐標(biāo),其成果數(shù)據(jù)見表1。
表1 尾礦庫測區(qū)像控點成果表
航測采用大疆精靈Phantom 4 Pro四旋翼無人機進(jìn)行影像采集,焦距為 8.8 mm,像元大小為1.4 μm,無人機設(shè)備如圖1所示。
對尾礦庫區(qū)域進(jìn)行垂直和傾斜拍攝的飛行任務(wù)航線設(shè)計總共分為5條航線,依次編號為1~5,其中垂直拍攝的航高和傾斜拍攝的航高均為100 m;垂直拍攝的航向重疊度設(shè)置為80%,旁向重疊度設(shè)置為70%,傾斜拍攝的航向重疊度設(shè)置為70%,旁向重疊度設(shè)置為60%,每條飛行航線的詳細(xì)參數(shù)和相機參數(shù)如表2所示。
圖1 無人機設(shè)備Fig.1 UAV equipment
表2 無人機飛行航線詳細(xì)參數(shù)
無人機航測任務(wù)準(zhǔn)備工作完成后,選擇太陽光線良好、無風(fēng)的天氣進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取。飛行過程中實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)存儲情況,保證飛行任務(wù)的順利完成,本次無人機航攝共獲取影像1 456張,經(jīng)過內(nèi)業(yè)飛行質(zhì)量檢查,剔除效果不佳的影像后獲得原始無人機影像共1 428張。
本研究無人機影像內(nèi)業(yè)基于Pix4D mapper軟件對無人機影像進(jìn)行自動處理,Pix4D mapper支持絕大部分相機,包括RGB、多光譜、熱紅外等數(shù)據(jù),自動空三計算和區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù),采用全自動工作流,可以將從地面、輕型無人機或航攝的影像處理得到厘米級精度的二維地圖、三維模型和點云數(shù)據(jù)。無人機影像內(nèi)業(yè)處理流程如圖2所示。
將尾礦庫區(qū)域的航測影像導(dǎo)入Pix4D mapper軟件進(jìn)行處理,并根據(jù)POS系統(tǒng)提供的地面控制點數(shù)據(jù),通過聯(lián)合平差計算,并得到所有加密點的物方坐標(biāo),結(jié)合空三加密計算出的影像外方位元素,生產(chǎn)出數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)(DSM)和數(shù)字正射影像圖(DOM),以及尾礦庫區(qū)域的實景三維模型數(shù)據(jù),如圖3、4所示。
圖2 無人機影像內(nèi)業(yè)處理流程圖Fig.2 UAV image graph and data processing
圖3 DSM與DOM數(shù)據(jù)成果Fig.3 DSM and DOM data results
圖4 尾礦庫實景三維模型Fig.4 Real 3D model of tailings pond
尾礦庫的容量是衡量尾礦庫潛在危險程度的一個重要指標(biāo),隨著尾礦砂的逐漸堆積,對尾礦庫的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響[12]。本文從尾礦庫容量和洪水淹沒區(qū)域兩個方面對尾礦庫進(jìn)行健康現(xiàn)狀分析。設(shè)定尾礦庫的最高蓄水高程為3 347 m,通過ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)分析功能計算洪水淹沒區(qū)域,計算結(jié)果如圖5所示。根據(jù)計算獲得的淹沒區(qū)域的數(shù)據(jù),利用3D分析工具計算尾礦庫的庫容,計算結(jié)果如圖6所示。
圖5 尾礦庫洪水淹沒區(qū)域分析Fig.5 Flooded area of tailing pond analysis
圖6 尾礦庫庫容量分析Fig.6 Tailings reservoir capacity analysis
綜合圖5、6可知,尾礦庫現(xiàn)有的庫容量為15.41 萬m3;洪水淹沒區(qū)域面積為6.63 萬m2,占整個尾礦庫面積的48.5%。該尾礦庫運行時間為2015年11月,設(shè)計年限為7.5 a,有效庫容量364.56萬 m3。由此可知,該尾礦庫由于常年尾礦砂的堆積,目前現(xiàn)狀已經(jīng)處于百萬級堆積庫,并且洪水淹沒區(qū)域較大,若遭遇極端天氣誘發(fā)強降雨或地質(zhì)災(zāi)害等情況發(fā)生,尾礦庫的危險級別極高。在后期的運行中,基于3S技術(shù)和計算機技術(shù),結(jié)合自然資源大數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影測量和在線監(jiān)測云平臺等方法加強尾礦庫的安全監(jiān)測。
尾礦庫的健康監(jiān)測是礦山生產(chǎn)運營穩(wěn)定性和安全性的重要保障,在礦山安全管理工作中具有重要意義。文章根據(jù)甘肅省瑪曲縣某金礦尾礦庫的健康監(jiān)測需求,基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)和GIS技術(shù),獲取了尾礦庫的正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和實景三維模型等基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù),并通過GIS空間分析功能對尾礦庫進(jìn)行洪水淹沒區(qū)域分析和庫容量計算。結(jié)果表明,尾礦庫現(xiàn)有的庫容量為15.41萬m3,洪水淹沒區(qū)域面積為6.63萬 m2,目前整個尾礦庫的危險級別極高。通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以在尾礦庫健康監(jiān)測中獲取較為精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進(jìn)一步實現(xiàn)尾礦庫的風(fēng)險評估和綜合管理,為尾礦庫的監(jiān)測預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)服務(wù)。