三維傾斜攝影技術(shù)在尾礦庫風(fēng)險防控上的運(yùn)用*

張 紅，李全明，陳 濤，隋建政

(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的、用以貯存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[1]，存在洪水漫頂和壩體垮塌危險，是具有高勢能的人造泥石流危險源。其構(gòu)筑特性及用途必然對下游區(qū)域形成高危險性的安全隱患，可對周圍的生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞，時刻威脅下游人民的生命財產(chǎn)安全。尾礦庫風(fēng)險因素分為人為因素和自然因素2種[2]。尾礦庫全生命周期管理過程中，存在缺乏正規(guī)設(shè)計、現(xiàn)場施工未滿足設(shè)計要求、運(yùn)行期間安全管理不到位等人為風(fēng)險因素，導(dǎo)致尾礦庫安全隱患不斷累積，安全風(fēng)險也隨之增高[3-4]。與此同時，尾礦庫絕大部分依山而建，具有泥石流、山體滑坡、不確定天氣變化等自然風(fēng)險。2種風(fēng)險因素疊加后，對其安全運(yùn)行構(gòu)成重大威脅。防范化解尾礦庫安全風(fēng)險，保障尾礦庫周邊人民生命財產(chǎn)安全，已經(jīng)成為尾礦庫安全管理的重要工作。因此，精準(zhǔn)掌握尾礦庫安全運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、主動有效提出防控措施尤為重要[5]。

目前對于尾礦庫的安全監(jiān)管多采用人工巡查及傳感器監(jiān)測相結(jié)合的方法。然而，許多尾礦庫的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不完備、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)落后、專業(yè)監(jiān)測人員缺乏，容易受到天氣、人工、現(xiàn)場條件等諸多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差，這些都影響著尾礦庫的安全生產(chǎn)和安全管理水平。因此，采用現(xiàn)代通信、電子設(shè)備及計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對尾礦庫監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時、自動監(jiān)測，是尾礦庫安全監(jiān)管的必由之路?！翱仗斓匾惑w化”開展尾礦庫遠(yuǎn)程監(jiān)測為實(shí)現(xiàn)尾礦庫安全監(jiān)管提供了新的數(shù)據(jù)獲取手段[6]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為“空天地一體化”的重要組成部分，具有時效性強(qiáng)、精度高、人工成本低等特點(diǎn)。其能夠體現(xiàn)豐富、全面的目標(biāo)紋理特征信息，并可精確測量地物的高度、寬度、坐標(biāo)和面積[7]，是獲取空間三維數(shù)據(jù)的重要手段[8]。目前，傾斜攝影技術(shù)在我國發(fā)展已有近十年時間，通常應(yīng)用在城市測繪[9]、工程建筑[10]、大比例尺地形測繪[11-12]及礦山測繪[13-14]等領(lǐng)域。采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展尾礦庫三維模型創(chuàng)建與數(shù)據(jù)分析，一方面可直觀展示庫區(qū)周邊及下游的環(huán)境分布情況，并通過歷史數(shù)據(jù)對比，掌握尾礦庫的最新運(yùn)行狀況[15]；另一方面可在俯視角度下捕捉出現(xiàn)突發(fā)事件區(qū)域的地理環(huán)境特征，為應(yīng)急處置工作提供參考影像資料。

本文以我國江西省某尾礦庫為例，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對尾礦庫及下游進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并依此創(chuàng)建尾礦庫三維實(shí)景，明確庫區(qū)現(xiàn)狀、周邊及下游環(huán)境，為開展尾礦庫安全防控管理部署和制定緊急災(zāi)害救援計劃提供重要依據(jù)，進(jìn)一步提高尾礦庫風(fēng)險防控的有效性和實(shí)用性。

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影系統(tǒng)分析

傾斜攝影系統(tǒng)主要由無人機(jī)、五鏡頭傾斜相機(jī)(垂直、前、左、右、后共5個位面)、UAV-PPK模塊和基站組成，能夠滿足一般地理?xiàng)l件工作要求，如圖1所示。無人機(jī)具有造價低、機(jī)動性好、工效高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于軍事和民用生產(chǎn)。目前用于測繪的無人機(jī)基本都使用GPS定位和導(dǎo)航[16]，但是無人機(jī)飛控的GPS單點(diǎn)定位精度差，極易造成影像畸變，因此，在使用過程中對周邊環(huán)境條件要求較高。然而，尾礦庫多為依山而建，庫區(qū)覆蓋范圍廣，周邊樹木茂盛，地理環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致精準(zhǔn)成像的難度成倍提高。通常可以使用RTK(Real-time kinematic)或PPK(post processed kinematic)技術(shù)設(shè)備解決圖像畸變問題，二者優(yōu)、缺點(diǎn)如表1所示。

圖1 傾斜攝影系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of oblique photography system

表1 RTK與PPK技術(shù)分析Table 1 Analysis of RTK and PPK technologies

此外，PPK的數(shù)據(jù)記錄模塊可直接搭載在無人機(jī)飛行平臺上，能夠大幅提高圖像坐標(biāo)點(diǎn)精度，進(jìn)行1∶500高精度免像控航空攝影測量作業(yè)。傾斜攝影數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖2所示。

圖2 攝影數(shù)據(jù)覆蓋范圍Fig.2 Coverage range of photography data

1.2 數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)整合及模型輸出3個步驟，其流程如圖3所示。1)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包含：基站數(shù)據(jù)獲取、影響畸變調(diào)整、數(shù)據(jù)解算、核對數(shù)據(jù)匹配及完整度。2)數(shù)據(jù)整合主要對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、解析及組合，形成初步傾斜攝影模型。3)模型輸出階段，主要對初始模型缺損部位進(jìn)行完善，對模型水域進(jìn)行修復(fù)。

圖3 數(shù)據(jù)處理方式Fig.3 Data processing method

1.3 航拍參數(shù)優(yōu)化

無人機(jī)航拍前，根據(jù)航拍影像分辨率精度需求、地形復(fù)雜程度等設(shè)置航拍關(guān)鍵參數(shù)。參數(shù)設(shè)置前所需收集尾礦庫信息主要包括：1)周邊地形高程信息，尤其是飛行區(qū)域周邊的山峰位置及高度信息。由于尾礦庫面積大，飛行期間無人機(jī)將脫離視野范圍，因此必須在航線圖中確定飛行位置，并設(shè)置安全飛行高度。2)針對特殊建筑或區(qū)域制定緊急處置措施。查看尾礦庫周邊是否存在高壓線、水域等特殊區(qū)域，飛行任務(wù)需掌握特殊區(qū)域的高精度數(shù)據(jù)，以避免撞擊或墜機(jī)。3)確認(rèn)礦源磁場區(qū)域及其強(qiáng)弱分布。由于部分礦山開采的礦源存在高強(qiáng)度磁場區(qū)域且強(qiáng)弱分布無規(guī)律，嚴(yán)重威脅飛行安全，工作前必須確認(rèn)飛行任務(wù)區(qū)域內(nèi)是否存在此類情況，并及時制定應(yīng)急措施。

1.4 航拍流程設(shè)計

無人機(jī)航拍流程可分為航拍線路規(guī)劃、航拍基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計、檢查飛行系統(tǒng)、飛控參數(shù)設(shè)置、設(shè)置其他參數(shù)與開始飛行作業(yè)6個環(huán)節(jié)，航拍流程設(shè)計如圖4所示。

圖4 無人機(jī)航拍流程設(shè)計Fig.4 Design of UAV aerial photography

2 尾礦庫實(shí)例應(yīng)用

2.1 尾礦庫基本情況

江西省某尾礦庫位處選礦廠下方的山谷中，設(shè)計總庫容66.44×104m3，屬于四等庫。庫區(qū)下游100 m范圍內(nèi)有12戶居民，230 m外有某公路通過。尾礦壩為碾壓堆石壩，壩高18 m，壩頂標(biāo)高+227 m，壩頂寬8.9 m，壩體上游坡比和下游坡比均為1∶1.5，壩長114.10 m，庫區(qū)中部有小面積水域。

庫區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年降雨量1 458 mm。庫區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，主要為孔隙水及裂隙水2種類型。目前庫區(qū)地層穩(wěn)定、連續(xù)，無不良地質(zhì)現(xiàn)象。庫區(qū)兩岸邊坡穩(wěn)定，西側(cè)山脊高程260～290 m，山坡較陡，覆蓋層薄，主要成份為變質(zhì)巖風(fēng)化后的坡積層；東側(cè)山脊(山頂)高程為280～330 m，山坡較緩，覆蓋層較厚，主要為黃褐色粘土；谷底高程207～230 m。此外，西側(cè)山脊左側(cè)為礦山，東側(cè)為尾礦庫，礦山西側(cè)有河流通過。

2.2 尾礦庫航線設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)對尾礦庫全庫區(qū)及周邊環(huán)境高精度建模，需搭載傾斜攝影設(shè)備的無人機(jī)保持較低飛行高度，并避開周邊山體。因此，本次飛行選用大疆M600六旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)及模塊，數(shù)據(jù)采集采用PPK技術(shù)設(shè)備，航飛高度240 m，飛行速度8 m/s，影像分辨率100 PPI，航飛區(qū)域面積約1.24 km2，主航線上圖像重復(fù)率為80%；根據(jù)安全因素和目標(biāo)區(qū)域飛行條件設(shè)置為14條短航線，航線長度為17 349 m，以東南側(cè)為起點(diǎn)，采用“S”形環(huán)繞尾礦庫進(jìn)行航拍，如圖5所示。

圖5 尾礦庫全景航線設(shè)計Fig.5 Panoramic route design of tailings pond

2.3 尾礦庫傾斜攝影數(shù)據(jù)分析

無人機(jī)依據(jù)圖5所示航線開展尾礦庫傾斜攝影，并對尾礦庫三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理，生成三維空間實(shí)景影像如圖6所示。

圖6 尾礦庫傾斜攝影三維影像Fig.6 Three-dimensional images of tailings pond by oblique photography

根據(jù)所獲得的尾礦庫空間三維實(shí)景，提取尾礦庫壩坡比、干灘長度、匯水面積等模型參數(shù)與尾礦庫現(xiàn)狀進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 尾礦庫三維模型數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison on 3D model data of tailings pond

根據(jù)數(shù)據(jù)對比可知，尾礦庫現(xiàn)狀各項(xiàng)參數(shù)與尾礦庫現(xiàn)狀實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致。此外，相對于壩坡比在人工測量時僅能在初期壩頂與堆積壩頂2點(diǎn)間進(jìn)行測量，無人機(jī)傾斜攝影所獲三維實(shí)景模型可在壩坡任一部位選點(diǎn)進(jìn)行測量，更能準(zhǔn)確反映筑壩期間的筑壩質(zhì)量、壩坡比分布情況和坡面筑壩質(zhì)量。

3 尾礦庫汛期防洪預(yù)測

通過對尾礦庫三維空間模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，尾礦庫現(xiàn)狀水面標(biāo)高223.5 m，匯水面積為1.78 km2，汛期庫水面預(yù)測情況如圖7所示。

圖7 汛期庫水面預(yù)測Fig.7 Prediction of water level in pond during flood season

尾礦庫防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為200 a，根據(jù)尾礦庫調(diào)洪庫容計算結(jié)果，其調(diào)洪高度為1.5 m，調(diào)洪庫容5×104m3。通過對尾礦庫三維空間實(shí)景進(jìn)行汛期調(diào)洪高度線標(biāo)記和調(diào)洪庫容量計算，由圖7可以看出尾礦庫汛期調(diào)洪階段最大水面邊線。經(jīng)實(shí)景圖測量，汛期尾礦庫干灘長度為80 m，高于《尾礦庫安全規(guī)程》(GB 39496—2020)[1]規(guī)定的50 m標(biāo)準(zhǔn)，滿足汛期防洪要求。

4 結(jié)論

1)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為“空天地一體化”的重要組成部分，具有時效性強(qiáng)、精度高、人工成本低等特點(diǎn)，可精確測量地物的高度、寬度、坐標(biāo)和面積，是獲取尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)的重要手段。

2)通過對傾斜攝影三維數(shù)據(jù)處理，創(chuàng)建尾礦庫三維空間實(shí)景，可及時掌握尾礦庫庫區(qū)及周邊環(huán)境現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)尾礦庫的精準(zhǔn)管理。

3)根據(jù)尾礦庫防洪設(shè)計能力，結(jié)合尾礦庫的實(shí)際數(shù)據(jù)，可有效開展汛期防洪預(yù)測，并為尾礦庫安全防控管理部署和制定緊急災(zāi)害救援計劃提供重要參考。