多技術(shù)融合的采空區(qū)調(diào)查研究

宋增巡

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000）

0.引言

臨汾是山西省重要的礦產(chǎn)和能源基地，煤、鐵、石膏等資源儲量豐富，對各種資源的開采利用已經(jīng)有近千年的歷史。特別是近百年來，隨著長期大規(guī)模、高強度的開采，形成了大面積采空沉陷區(qū)，對礦區(qū)的土地利用、土壤結(jié)構(gòu)、地表設(shè)施、地下水體及礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境造成了極大破壞，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和人民生活產(chǎn)生極大地影響。為了推進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，促進生態(tài)文明建設(shè)，探索對采空沉陷區(qū)綜合治理的統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)評估機制。受地方主管部門的委托，本單位先后啟動了石膏礦、煤礦采空沉陷調(diào)查監(jiān)測工作。隨著測繪科學(xué)的發(fā)展，智能化的地理空間信息數(shù)據(jù)采集與融合技術(shù)，成為采空沉陷調(diào)查與監(jiān)測的主要技術(shù)手段。

本文通過傾斜無人機技術(shù)獲取采空區(qū)地形圖信息，利用無人船水下測量技術(shù)獲取采空區(qū)積水區(qū)域水下地形圖。這兩種技術(shù)的融合實現(xiàn)了采空區(qū)全區(qū)域地形圖的獲取。D-InSAR技術(shù)與GNSS遠程監(jiān)測預(yù)警技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)采空區(qū)監(jiān)測，大大提高作業(yè)效率的同時，精度也有保證。

1.多技術(shù)融合的采空區(qū)全要素地形圖采集

對采空沉陷區(qū)域的調(diào)查，除了要進行成礦因素、開采參數(shù)、采空區(qū)形成等背景因素的調(diào)查外，最重要的是獲取精準(zhǔn)的采空區(qū)地形信息，利用現(xiàn)代智能化空間信息技術(shù)，對采空區(qū)域地表信息進行采集。

1.1 GNSS數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳統(tǒng)的地表信息數(shù)據(jù)采集主要采用數(shù)字化地形測量技術(shù)，它是以全站儀(或GPS接收機)和計算機為核心，連接繪圖儀等輸入輸出設(shè)備，實現(xiàn)野外地圖測繪的自動化和數(shù)字化的過程，是長期以來人們建立地表地理信息模型的重要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)。以RTK技術(shù)和免棱鏡全站儀技術(shù)相結(jié)合的全野外數(shù)據(jù)采集是近十年來比較成熟的地表地形數(shù)據(jù)采集技術(shù)，特別是衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）的發(fā)展和我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的投入，使得全野外數(shù)據(jù)采集具有更加精準(zhǔn)、實時、快速的特點，數(shù)據(jù)采集的效率和精度有了質(zhì)的飛躍，在沉陷采空地表信息采集中也起到了較為重要的作用，但是，由于沉陷采空區(qū)具有分布范圍廣、分布零散、地形復(fù)雜等特點，全野外數(shù)據(jù)采集需要作業(yè)人員付出大量的野外體力勞動，采空邊沿、積水區(qū)等區(qū)域無法保障作業(yè)人員的安全，作業(yè)效率受到一定的影響。

1.2 無人機攝影測量技術(shù)

無人機低空攝影測量技術(shù)以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以無人駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，最終獲取小區(qū)域、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強的航測數(shù)據(jù)。采空沉陷調(diào)查中，采用無人機低空攝影測量技術(shù)，主要利用其機動、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，快速獲取地表信息數(shù)據(jù)，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，既能減輕勞動強度，又能提高作業(yè)的效率和精度。

以臨汾某礦區(qū)為例，該礦采礦方法為留礦采礦法和分段空場法，兩種采礦方法設(shè)計的采出礦石比例為2∶8，采用留礦采礦法開采過程中，頂板穩(wěn)定性差，安全性得不到保障，礦山目前僅有兩個采場采用留礦法進行開采，其余采用分段空場法開采。礦山在采礦過程中，在礦山溝設(shè)置了兩個永久保安礦柱，礦山溝以東至無名溝地段的礦體都進行了“三柱”回收以及圍巖崩落工作，該地段采空區(qū)已與地表塌透貫通，大量崩落圍巖進入采空區(qū)，并在3002m中段形成了大于30m的巖石緩沖層。3002m地段開采的Ⅱ、Ⅲ號礦體厚度大于5m則采用分段空場采礦法回采，并進行了“三柱”回收工作，在三柱回采爆破的同時，采取了崩落圍巖形成采空區(qū)緩沖層的方式治理空區(qū)。

為滿足本次采空沉陷調(diào)查，主要采用EBEE-RTK固定翼無人機攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載的五鏡頭分辨率為8868×5792，其中地面分辨率達到了1.8cm。航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%。為了保證空三的穩(wěn)定性，可適當(dāng)將旁向重疊度提高至80%。在地面分辨率與航高保持不變的情況下，航帶間距可降至57m。飛行參數(shù)的設(shè)計（如圖1所示）。像控點測量可采用城市CORS系統(tǒng)獲取圖根級以上控制點，在測量控制點過程中，依據(jù)相關(guān)規(guī)范制定像控點間距為300m為宜。自行控制飛機實施按照設(shè)定的路線起降、飛行和攝影。飛行中，其具有的RTK技術(shù)可以直接在CORS環(huán)境下實時采集攝站點的三維坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)糾正，形成高精度的POS數(shù)據(jù)，輔以少量的像控點，可以直接進行空三加密平差計算，成果經(jīng)檢查后提供內(nèi)業(yè)使用。

圖1 低空航空攝影飛行參數(shù)設(shè)計

飛行后，內(nèi)業(yè)利用ContextCapture Center Master攝影測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)從影像匹配、空三平差及DOM、DSM數(shù)字成果生產(chǎn)的全過程流程，為沉陷區(qū)調(diào)查提供多源多媒體的數(shù)字地表信息成果，形成的采空區(qū)正射影像成果（如圖2所示）。三維影像生成之后采用EPS三維成圖軟件實現(xiàn)DLG數(shù)據(jù)的獲取，通過外業(yè)實測打點統(tǒng)計精度，表明其數(shù)學(xué)精度能夠達到大比例尺地形圖的精度要求，完全滿足采空區(qū)沉陷調(diào)查的應(yīng)用，利用數(shù)字矢量化軟件繪圖該采空區(qū)線劃圖（如圖3所示）：

圖2 采空沉陷區(qū)正射影像成果

圖3 采空沉陷區(qū)數(shù)字線劃圖

1.3 無人船水下測量技術(shù)

該采空引起的地表沉陷形成了大量的積水區(qū)域，對積水區(qū)的調(diào)查，需要采集水下的地形數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)作業(yè)主要以人工使用RTK配合測繩、測桿、測深儀等通過皮劃艇、租船的方式完成。采空積水區(qū)深淺不一，水下地形復(fù)雜，零散分布且不與其他水系連通，找船、租船及船只的轉(zhuǎn)移運輸困難大、成本高，下水測量較為危險并且作業(yè)時間較長；對于皮劃艇，水上設(shè)備難以固定，故此精度的要求常常使作業(yè)者頭疼。為解決上述困難，在調(diào)查中，我們采用無人船水下測量技術(shù)。

為配合采空區(qū)中水下測量作業(yè)，獲取該采空區(qū)水域6.5km2的地形圖，采用中海達iBoat BS2 智能無人測量船，該船體小巧，攜帶方便，速度快，航行穩(wěn)。采用可拆卸模塊化涵道式推進器設(shè)計，在防漁網(wǎng)、水草等雜物纏繞的優(yōu)異性能之上，具有維護方便、靈活更換的使用特性。在調(diào)查中，作業(yè)人員通過基站系統(tǒng)進行作業(yè)設(shè)計，可以實現(xiàn)全自動無人化作業(yè)、自主導(dǎo)航、定點自主返航、智能避障等功能，根據(jù)作業(yè)環(huán)境隨時切換自動/手動控制模式，通過測量船與SXCORS的配合，采用無驗潮方式直接測量水深，進行吃水改正后與RTK測量數(shù)據(jù)相結(jié)合。測量數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)桨痘牟倏仄脚_，直接輸出符合規(guī)范精度要求的水深和水下高程數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)實現(xiàn)水下地形數(shù)據(jù)的智能化采集。采集的水下地形圖信息（如圖4所示）：

圖4 采空沉陷區(qū)水下測量成果

2.沉陷監(jiān)測與預(yù)警多技術(shù)融合

采空沉陷是一個動態(tài)的過程，在獲取地表空間位置信息的基礎(chǔ)上，必須對這一過程實施綜合的動態(tài)監(jiān)測，以掌握其變形規(guī)律，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。合理有效的監(jiān)測方法既能準(zhǔn)確地獲取高精度沉降信息，又能及時將這些數(shù)據(jù)傳輸至分析平臺進行直觀的物理解釋，并對有可能的突發(fā)塌陷信息進行提前預(yù)警。

2.1 一般地面監(jiān)測方法

一般的地面監(jiān)測方法主要是設(shè)置地面觀測點或觀測網(wǎng)，利用水準(zhǔn)測量、三角高程、GNSS高程擬合等測量手段，通過實測數(shù)據(jù)對地面塌陷進行分析。其優(yōu)點是組織容易、實施簡單，缺點是工作量大，只能通過觀測點進行定期分析，不能完整、準(zhǔn)確地反映采空塌陷的時空變形規(guī)律。這些方法在技術(shù)飛速發(fā)展的今天，逐步被淘汰。

2.2 合成孔徑雷達差分干涉測量（D-InSAR）

合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)使用星載或機載雷達信號的相位信息提取地表三維數(shù)據(jù)，能全天候、全天時地獲取大面積地表精確三維信息，空間分辨率高，不受氣候條件的影響。在InSAR基礎(chǔ)上擴展的差分干涉技術(shù)（D-InSAR）可測量微小的地表變形，是目前監(jiān)測區(qū)域采空沉陷變形的有效手段，可以精準(zhǔn)地反映沉陷區(qū)域的整體變形規(guī)律。

2.3 GNSS遠程監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

D-InSAR技術(shù)可以全面掌控采空沉陷地表的整體變形規(guī)律，而高精度的GNSS技術(shù)可以對沉陷區(qū)局部或某個采空點進行全天候的監(jiān)測，以預(yù)報采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。在該采空區(qū)沉降監(jiān)測中，我們使用了埋深于采空頂板巖層的基巖標(biāo)，安置GPS、BDS等多星接收系統(tǒng)，通過多系統(tǒng)聯(lián)合解算，進行采空變形的實時精準(zhǔn)監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實施傳輸?shù)奖O(jiān)測人員手中，構(gòu)建集監(jiān)測、傳輸、預(yù)報、預(yù)警于一體的智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測平臺，系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)（如圖5所示），采空區(qū)沉降監(jiān)測效果圖（如圖6所示）：

圖5 遠程監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)

圖6 采空區(qū)沉降監(jiān)測效果圖

3.結(jié)論與展望

綜上所述，以臨汾某一礦區(qū)采空區(qū)為例，利用全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、低空攝影測量、無人船水下測量等智能化技術(shù)為該采空區(qū)的調(diào)查監(jiān)測提供了高精度、多源化、多時空的空間信息數(shù)據(jù)，多種技術(shù)的融合實現(xiàn)了對采空區(qū)無死角的地形要素的獲取。采空區(qū)沉降分析過程依靠D-INSAR技術(shù)與GNSS遠程監(jiān)測預(yù)警技術(shù)實現(xiàn)采空區(qū)全天候多時段監(jiān)測與分析，通過可視化、智能化的輸出手段，為礦區(qū)資源利用、土地規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境整治、地質(zhì)災(zāi)害防治提供決策依據(jù)。

將來利用大數(shù)據(jù)技術(shù)與決策系統(tǒng)等更多的人工智能技術(shù)的融合，實現(xiàn)將礦區(qū)地理信息數(shù)據(jù)庫和土地管理、環(huán)境監(jiān)測等專業(yè)模塊結(jié)合起來，融合采空區(qū)的時空背景，研究采空沉陷區(qū)域的時空演變、生態(tài)演變、人文演變，對推動采空沉陷區(qū)調(diào)查，推進當(dāng)?shù)氐娜司迎h(huán)境和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。