基于無人機(jī)攝影技術(shù)的露天礦山安全評(píng)價(jià)技術(shù)*

徐超，朱遠(yuǎn)樂，廖文景，戴軍，王淇萱

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.湖南銘生安全科技有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

安全評(píng)價(jià)也叫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)或危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)安全為目的，應(yīng)用安全系統(tǒng)原理和方法，辨識(shí)與分析工程、系統(tǒng)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中的危險(xiǎn)有害因素，預(yù)測(cè)發(fā)生事故造成職業(yè)危害的可能性及其嚴(yán)重程度，提出科學(xué)、合理、可行的安全對(duì)策，做出評(píng)價(jià)結(jié)論[1]。安全評(píng)價(jià)是提高礦山安全系數(shù)和安全生產(chǎn)水平的重要手段，也是監(jiān)管部門為礦山頒發(fā)安全生產(chǎn)許可證的前提條件。

目前安全評(píng)價(jià)行業(yè)存在評(píng)價(jià)方法單一、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不完善、缺少定量評(píng)價(jià)手段以及多數(shù)評(píng)價(jià)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)欠佳等問題[2]。有些評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)和評(píng)價(jià)人員只把安全評(píng)價(jià)看成賺錢的手段，未按照規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，對(duì)隱患缺乏足夠的重視[3]，甚至受利益驅(qū)使，避重就輕，出具虛假報(bào)告；還有企業(yè)造假，不愿意提供真實(shí)資料，導(dǎo)致安全評(píng)價(jià)形同虛設(shè)、走過場(chǎng)等[4]。上述安全評(píng)價(jià)中存在的問題直接影響到安全評(píng)價(jià)的效力，致使本可以發(fā)現(xiàn)和控制的隱患進(jìn)一步發(fā)展成生產(chǎn)安全事故，影響礦山的安全運(yùn)行。長(zhǎng)此以往，將影響到礦山行業(yè)的健康安全發(fā)展。因此，安全評(píng)價(jià)人員除了必須堅(jiān)持基本的職業(yè)道德和操守外，還需積極思考安全評(píng)價(jià)的新方法，發(fā)掘安全評(píng)價(jià)的新技術(shù)，以適應(yīng)礦山行業(yè)智能化、信息化的實(shí)際需求。

近年得益于低空、低速小型消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的推廣使用和相關(guān)軟件的研發(fā)，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)以其效率高、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于露天礦山各個(gè)領(lǐng)域，目前已實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)測(cè)地形[5?6]、無人機(jī)協(xié)助露天礦山指揮生產(chǎn)調(diào)度[7]、基于無人機(jī)攝影測(cè)量的露天礦邊坡數(shù)值模擬[8]等?；谝陨蠎?yīng)用的領(lǐng)域，本文提出了無人機(jī)的攝影測(cè)量技術(shù)在露天礦山安全評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用場(chǎng)景，并通過應(yīng)用實(shí)踐，以期解決露天礦山周邊環(huán)境調(diào)查、快速獲取準(zhǔn)確的露天境界參數(shù)[9?11]等問題。

1 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)智能安全巡航通過搭載攝影部件采集露天礦山地表數(shù)據(jù)，包括傾斜攝影數(shù)據(jù)、視頻記錄、航拍照片等。無人機(jī)沿設(shè)定好的航線獲取垂直于被攝物體的航空像片，在相隔一定距離的不同時(shí)間、不同位置拍攝同一目標(biāo)，基于存在的視差構(gòu)成立體像對(duì)，再通過空中三角解析法進(jìn)行圖像解析，將系列二維航拍圖像轉(zhuǎn)換為整個(gè)露天礦山的三維密集點(diǎn)云，接著結(jié)合三維建模技術(shù)生成露天礦山的三維傾斜攝影模型。無人機(jī)攝影測(cè)量流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)攝影測(cè)量流程

軟件系統(tǒng)利用三維GIS 技術(shù)構(gòu)建三維地球環(huán)境，通過載入傾斜攝影模型構(gòu)建出與GIS 環(huán)境相融合的虛擬露天礦山場(chǎng)景，可整體查看露天礦山的地貌特征，也可查看露天礦山的細(xì)節(jié)特征。軟件系統(tǒng)通過空間幾何計(jì)算封裝多種標(biāo)繪和量算工具，為露天礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分析提供便利支撐。

2 無人機(jī)攝影技術(shù)在礦山安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用場(chǎng)景

以湖南岳陽(yáng)某露天礦山為利，該礦山為基建礦山，礦區(qū)面積為0.6 km2，準(zhǔn)采標(biāo)高為+380～+115 m，核準(zhǔn)的生產(chǎn)規(guī)模為500 萬(wàn)t/a，開拓運(yùn)輸方式為公路開拓，汽車運(yùn)輸，采用中深孔爆破、分臺(tái)階開采。該礦在開展安全設(shè)施驗(yàn)收評(píng)價(jià)階段時(shí)，項(xiàng)目組利用無人機(jī)對(duì)該礦山周邊環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查；同時(shí)利用形成的三維模型，快速采集礦山的境界參數(shù)，并將其與傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)比，核實(shí)了其誤差在可接受范圍內(nèi)，從而對(duì)安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

2.1 使用無人機(jī)調(diào)查礦山周邊環(huán)境

露天礦山因其作業(yè)程序存在爆破、鏟裝等工序，可能對(duì)周邊環(huán)境造成安全風(fēng)險(xiǎn)。因此在安全評(píng)價(jià)過程中，探查礦山周邊環(huán)境（人員、設(shè)備、設(shè)施、建筑等）是重點(diǎn)工作內(nèi)容。若在安全預(yù)評(píng)價(jià)階段，勘查到礦山可能對(duì)周邊環(huán)境造成安全風(fēng)險(xiǎn)，則需重新考慮礦山選址的合理性，或者設(shè)計(jì)措施消除、減輕對(duì)周邊環(huán)境的影響；在驗(yàn)收評(píng)價(jià)及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)階段，則需立即采取安全管理和技術(shù)措施，消除或減輕影響，以確保礦山生產(chǎn)與周邊環(huán)境相互影響可控、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

露天礦山往往位于山區(qū)，周邊區(qū)域一般不便于行人，且可能受樹木的影響通視困難，以往的評(píng)價(jià)人員主要通過實(shí)地踏勘、走訪等形式調(diào)查礦山周邊環(huán)境，存在耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大、無法獲得全面準(zhǔn)確的信息、調(diào)查存在盲區(qū)等問題，導(dǎo)致評(píng)價(jià)人員難以充分掌握礦山周邊情況，無法充分辨識(shí)其存在的風(fēng)險(xiǎn)。

利用無人機(jī)探查礦山周邊環(huán)境，將無人機(jī)帶至礦山現(xiàn)場(chǎng)后，在無人機(jī)終端擬定飛行航線，考慮爆破影響范圍，以礦權(quán)范圍外擴(kuò)500 m 作為飛行區(qū)域。無人機(jī)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)約1.5 h 的飛行后，利用無人機(jī)三維建模軟件，將其收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可形成礦山三維實(shí)景模型，如圖2 所示。

從圖2 可清晰看出，該礦北部周邊存在水庫(kù)，礦區(qū)東面存在民房，東南面分布有礦山建筑物（破碎系統(tǒng)、配電房），西南面存在廢棄破碎站等。結(jié)合軟件的量算功能，可直接在模型中測(cè)得礦區(qū)周邊環(huán)境因素與本礦區(qū)的距離，從而分析礦山與周邊環(huán)境之間相互影響關(guān)系，為提出對(duì)應(yīng)的對(duì)策和建議提供依據(jù)。

圖2 基于無人機(jī)攝影形成的礦山三維模型

2.2 無人機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)繪采場(chǎng)境界參數(shù)

露天礦山安全評(píng)價(jià)需對(duì)礦山采場(chǎng)境界參數(shù)（臺(tái)階邊坡、寬度、高度）進(jìn)行采集，將采集的參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷其符合性；另外還需將采集的數(shù)據(jù)用作采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)方法主要是通過測(cè)量單位提供的礦山實(shí)測(cè)平面圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘的直觀感受輔以小范圍的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)來獲得。實(shí)測(cè)圖主要通過全站儀測(cè)得，雖然其單點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度非常高，但由于其僅在平臺(tái)或邊坡上選取有限的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，因此難以全面表現(xiàn)出邊坡現(xiàn)狀。此外，從實(shí)測(cè)圖上看，或許邊坡整體狀況較好，平均坡度、高度符合要求，但局部不符合要求的部分難以被體現(xiàn)出來，從而被評(píng)價(jià)人員忽視。而往往這些局部的隱患可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故。

無人機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)及傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)得的數(shù)據(jù)見表1。由表1 可知，235 平臺(tái)寬度、220 平臺(tái)寬度均大于50 m，滿足設(shè)計(jì)平臺(tái)寬度不小于50 m 的要求；235 平臺(tái)坡度分別為67.0°、71.3°，而設(shè)計(jì)邊坡角為70°，則說明235 平臺(tái)局部臺(tái)階偏陡，企業(yè)應(yīng)進(jìn)行整改。通過與傳統(tǒng)方法測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)誤差值在可接受范圍內(nèi)，能滿足安全評(píng)價(jià)工作需求；同時(shí)由于其數(shù)據(jù)處理具有便捷和快速特點(diǎn)，提高了對(duì)露天礦山境界參數(shù)的符合性判定效率。

表1 測(cè)量參數(shù)對(duì)照

另外，當(dāng)評(píng)價(jià)人員需要通過某一剖面了解其邊坡安全狀況時(shí)，一般采用畫圖軟件（CAD/MAPGIS等）根據(jù)實(shí)測(cè)平面圖由人工作剖面圖，這樣不僅工作任務(wù)繁重，而且效率很低。而基于無人機(jī)攝影測(cè)量而形成的三維模型實(shí)際是由無數(shù)個(gè)點(diǎn)集合而成，每一點(diǎn)具有唯一的矢量特征。通過軟件，可在三維模型中任意指定剖面線，直接生成對(duì)應(yīng)的剖面圖（見圖3），并查閱剖面線的相關(guān)特征數(shù)據(jù)。同時(shí)可將該軟件生成的剖面圖導(dǎo)入Slide 等邊坡穩(wěn)定性分析軟件，輸入相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)后可直接進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，為評(píng)價(jià)提供判定依據(jù)。

圖3 在礦山三維模型內(nèi)獲得的任意剖面

此外，以往評(píng)價(jià)人員僅通過有代表性的幾組剖面來評(píng)價(jià)整體邊坡的穩(wěn)定狀況，得出的評(píng)價(jià)結(jié)論取決于評(píng)價(jià)人員的經(jīng)驗(yàn)，可能存在誤判?；跓o人機(jī)攝影技術(shù)及處理軟件獲得剖面的高效性，評(píng)價(jià)人員可在三維模型中設(shè)置多個(gè)剖面線，以獲取多個(gè)剖面用于計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。這樣選取的剖面樣本數(shù)更多，更能代表采場(chǎng)邊坡的實(shí)際情況，確保安全評(píng)價(jià)結(jié)論的可靠性。

類似地，上述無人機(jī)配套軟件同樣可用于測(cè)量礦山道路的坡度。礦山道路的坡度是露天礦山生產(chǎn)中重要的技術(shù)參數(shù)，其是否符合要求直接影響礦山的安全生產(chǎn)。根據(jù)重大生產(chǎn)安全事故判定標(biāo)準(zhǔn)，“上山道路坡度大于設(shè)計(jì)坡度的10%以上”屬于重大隱患，因此對(duì)礦山道路的測(cè)量十分必要?；跓o人機(jī)及配套軟件，在形成的礦山三維模型中沿上山道路新建剖面、畫出線路，即可形成對(duì)應(yīng)剖面圖，如圖4 下方所示。根據(jù)形成的剖面可清晰地了解道路坡度的整體和局部狀況，并快速計(jì)算其坡度是否符合要求。

圖4 在礦山三維模型內(nèi)獲得的道路剖面

2.3 無人機(jī)進(jìn)行安全隱患排查

安全隱患排查是安全評(píng)價(jià)的重要工作內(nèi)容。露天礦山安全評(píng)價(jià)的“合格”結(jié)論，是在其按照安全評(píng)價(jià)組提出的隱患整改意見完成整改工作的前提下做出的。以往評(píng)價(jià)人員進(jìn)行安全隱患排查工作的方式主要是現(xiàn)場(chǎng)踏勘、記錄隱患，并留下相關(guān)的影像資料作為輔助證明材料。對(duì)于大型礦山，這種隱患排查方式將花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，效率較低。而且對(duì)于存在邊坡浮石、滑坡、邊坡失穩(wěn)等安全風(fēng)險(xiǎn)的礦山，評(píng)價(jià)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)將面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于無人機(jī)攝影技術(shù)及處理軟件，評(píng)價(jià)人員可以在完成礦山安全區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)踏勘后，使用無人機(jī)探查危險(xiǎn)區(qū)域的具體情況，利用處理軟件形成三維模型后，通過電腦放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等功能，從不同角度觀測(cè)礦山任意位置，以了解礦山整體安全狀況，檢查其是否存在安全隱患。

對(duì)于排查出的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，還可以在模型中根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的原則通過四色圖標(biāo)識(shí)出，更為直觀地表現(xiàn)礦山各區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以分別制定不同的安全管控措施。

圖5 標(biāo)注效果

3 結(jié)論

隨著無人機(jī)攝影技術(shù)的發(fā)展及配套軟件的研發(fā)，無人機(jī)在礦山的應(yīng)用場(chǎng)景愈發(fā)廣闊。通過分析，基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的露天礦山安全評(píng)價(jià)方法相比于傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)主要有3 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）用于勘查周邊環(huán)境時(shí)，無人機(jī)效率更高、范圍更廣，可勘查出人工難以查出的危險(xiǎn)因素，減少安全評(píng)價(jià)工作中的遺漏和失誤，提升了安全評(píng)價(jià)工作的全面性。

（2）評(píng)價(jià)人員可更快速地獲得露天礦山境界參數(shù)，并能高效提取多個(gè)剖面，使邊坡穩(wěn)定性的評(píng)判結(jié)論更為可靠、符合實(shí)際。

（3）可減輕評(píng)價(jià)人員現(xiàn)場(chǎng)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度及安全風(fēng)險(xiǎn)，利用配套軟件的功能，可與礦山安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控相結(jié)合，更直觀地呈現(xiàn)礦區(qū)隱患區(qū)域，并提出針對(duì)性的安全管控措施，減少礦山生產(chǎn)安全事故發(fā)生。