煤礦開采地表沉陷UAV-攝影測量監(jiān)測技術(shù)研究

高銀貴，周大偉，安士凱，王 玲，張德民，詹紹奇

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232033；4.新能礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

“富煤、貧油、少氣”是我國的能源現(xiàn)狀，這就決定了煤炭資源在較長時(shí)間內(nèi)始終是我國的主要消費(fèi)能源和能源戰(zhàn)略安全的保證[1]。我國煤炭資源在地理分布上呈現(xiàn)“西多東少”趨勢，隨著國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、能源戰(zhàn)略調(diào)整及東部煤礦逐漸關(guān)閉，西部地區(qū)必將成為我國未來主要煤炭資源產(chǎn)地[2-3]。煤炭開采在滿足國家能源需求的同時(shí)也導(dǎo)致嚴(yán)重的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境損害問題，煤炭開采引起巖層及地表變形是產(chǎn)生礦山地質(zhì)環(huán)境損害的根源。西部礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，適宜大規(guī)模機(jī)械化開采，且由于煤層淺埋，大采高、高強(qiáng)度快速開采及地質(zhì)環(huán)境脆弱，西部煤炭開采引發(fā)的地表沉陷大多呈現(xiàn)出變形速度快、損害程度深、波及范圍廣的特點(diǎn)[4]。由煤炭開采引起的礦區(qū)地表沉陷會(huì)造成地表建構(gòu)筑物以及生態(tài)環(huán)境的破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害，對煤礦安全生產(chǎn)以及人們的正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重的損害和威脅。礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測對合理指導(dǎo)煤炭資源開采活動(dòng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境不受破壞以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。然而，西部礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，沉陷規(guī)律研究不深入，更沒有適合的沉陷參數(shù)。尤其國家對環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)格，礦區(qū)環(huán)境損害監(jiān)測及評估已經(jīng)成為西部礦山企業(yè)面臨的巨大難題。

現(xiàn)有沉陷監(jiān)測技術(shù)是以全站儀、水準(zhǔn)測量、GPS等大地測量技術(shù)為主的常規(guī)地表沉陷監(jiān)測技術(shù)。該監(jiān)測方法是通過在采空區(qū)上方地表布設(shè)走向和傾向“十字”觀測線進(jìn)行沉陷監(jiān)測[5-6]，根據(jù)各觀測站獲取的平面坐標(biāo)和高程信息。該技術(shù)監(jiān)測精度高，是目前獲取礦區(qū)地表形變最常用、最有效的手段，在礦山開采沉陷研究及實(shí)際工程中發(fā)揮了重要的作用。然而，該監(jiān)測手段有如下特點(diǎn)：①監(jiān)測范圍和尺度小，一般以單工作面為監(jiān)測對象；②僅以地表移動(dòng)變形為監(jiān)測內(nèi)容，無法獲得環(huán)境損害信息(比如植被、水體等)；③成本高、周期長、工作量大、需要埋設(shè)測點(diǎn)且難以長期保存等缺點(diǎn)；④只“點(diǎn)狀”觀測，數(shù)據(jù)及信息量少，不能完整反映沉陷盆地特征。這些不足導(dǎo)致其已無法適應(yīng)新形勢下西部高強(qiáng)度開采地表損害監(jiān)測任務(wù)，因此如何快速、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測西部高強(qiáng)度大規(guī)模開采引起的地表沉陷與環(huán)境損害是解決問題的關(guān)鍵。

隨著近年低成本、輕型無人機(jī)與技術(shù)的發(fā)展，以無人機(jī)為搭載平臺的無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)成為當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的測繪新技術(shù)。UAV攝影測量是以無人機(jī)為平臺，集成高分辨率(多/高光譜)低空光學(xué)傳感器、GPS和IMU等技術(shù)，可同時(shí)獲取地表沉陷變形和地物環(huán)境信息，適應(yīng)于多尺度的監(jiān)測任務(wù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效精準(zhǔn)、作業(yè)成本低(突出的時(shí)效性和性價(jià)比)等優(yōu)勢[7-8]，極大推動(dòng)了攝影測量技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用[7,9-11]。基于此，筆者以內(nèi)蒙古鄂爾多斯某煤礦為研究對象，提出了UAV攝影測量監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的思路、關(guān)鍵技術(shù)流程和方法、采用UAV攝影測量技術(shù)對該礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行監(jiān)測，采用常規(guī)全站儀/水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，分析了UAV攝影測量監(jiān)測精度，討論分析該技術(shù)在西部礦區(qū)高強(qiáng)度開采地表沉陷監(jiān)測的可行性。

1 無人機(jī)監(jiān)測思路及方法

1.1 基本思路

UAV-攝影測量可以定期快速獲取監(jiān)測區(qū)域地表光學(xué)影像數(shù)據(jù)，該影像含有地表三維坐標(biāo)和豐富的地物光譜信息數(shù)據(jù)，通過對影像數(shù)據(jù)的處理可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和生態(tài)環(huán)境信息(如植被、土壤及水體)，前者通過多期DEM相減可以進(jìn)一步處理得到地表沉陷變形，后者通過多期地物對比分析，可用于研究礦區(qū)生態(tài)環(huán)境精細(xì)演變。

圖1為UAV-攝影測量監(jiān)測地表沉陷的示意，當(dāng)工作面推進(jìn)到位置1時(shí)，利用UAV觀測一次地表，解算得到當(dāng)時(shí)的數(shù)字高程模型DEM1。當(dāng)工作面推進(jìn)到位置2時(shí)，再用對同一位置地表進(jìn)行第二次觀測，獲得該時(shí)刻的地表數(shù)字高程模型DEM2。通過兩期DEM相減，即DEM1減去DEM2，可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表沉陷盆地，如若2次監(jiān)測是采動(dòng)過程中進(jìn)行的，獲得的即為動(dòng)態(tài)沉陷盆地；如若為工作面開采首末2次監(jiān)測，獲得的即為穩(wěn)態(tài)沉陷盆地，再根據(jù)工作面開采的相關(guān)信息，便可以反演出地表移動(dòng)變形預(yù)測參數(shù)等。

圖1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)監(jiān)測地表沉陷思路Fig.1 Monitoring surface subsidence by UAV photogrammetry technology

1.2 DEM構(gòu)建方法及流程

UAV-攝影測量技術(shù)通過對航測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到同一監(jiān)測區(qū)域不同監(jiān)測時(shí)期的DEM，多期DEM相減獲得監(jiān)測區(qū)域的地表沉陷。DEM的構(gòu)建是生成地表沉陷盆地的關(guān)鍵步驟，DEM構(gòu)建流程如圖2所示。首先，利用無人機(jī)控制平臺規(guī)劃航飛路線并獲取監(jiān)測區(qū)域的影像數(shù)據(jù)；再進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定獲得相機(jī)畸變參數(shù)，并利用該參數(shù)對原始影像進(jìn)行畸變校正；然后，對校正后的影像進(jìn)行相對定向，使所有像片統(tǒng)一至選定的像空間輔助坐標(biāo)系中；隨后，再利用外業(yè)測量獲取的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對定向，使像片由像空間輔助坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至地面坐標(biāo)系；最后，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差以及影像密集匹配加密點(diǎn)，獲取整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過空間內(nèi)插構(gòu)建DEM[12-13]。其中，構(gòu)建DEM的關(guān)鍵技術(shù)如下：

圖2 DEM構(gòu)建流程Fig.2 Flow chart of DEM construction

1)影像畸變校正：無人機(jī)低空攝影測量攜帶的相機(jī)大多為非量測型相機(jī)，獲取的影像存在畸變差，因此在進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理前必須消除畸變差。通過調(diào)整像主點(diǎn)位置和糾正畸變參數(shù)來實(shí)現(xiàn)影像畸變校正。

2)相對定向：在2張具有一定重疊度的相鄰影像上提取相似的特征點(diǎn)，然后利用基于灰度或者特征的匹配算法進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，相對定向后監(jiān)測區(qū)域所有影像的坐標(biāo)系統(tǒng)一至以像空間輔助坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的自由坐標(biāo)系中。

3)絕對定向：引入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，解算每張像片在控制點(diǎn)坐標(biāo)系下的外方位元素和待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)，完成影像由自由坐標(biāo)系統(tǒng)一至地面坐標(biāo)系。

4)光束法區(qū)域網(wǎng)平差：以每張像片組成的光束為平差基本單元，按照共線條件方程列出誤差方程，對測區(qū)整體進(jìn)行平差處理獲取每張像片的外方位元素以及待求點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

5)影像匹配：尋找2幅或多幅影像之間的同名點(diǎn)，主要方法為基于點(diǎn)特征的匹配，包括SIFT、SURF、Harris-Laplace算子等算法。

2 礦區(qū)工程案例

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槲挥趦?nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的某煤礦2S201工作面。該工作面傾向長度260 m，走向長度1 253 m，煤層厚2.9～3.7 m，實(shí)際平均采厚3.17 m，煤層總體傾向西南，平均傾角2°，煤層平均采深約200 m。

采用天寶UX5無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1；外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)據(jù)由GPS RTK測量完成，像控點(diǎn)測量坐標(biāo)系為北京54坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)Fig.3 Field data acquisition

表1 天寶UX5無人機(jī)航測系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of aerial survey system of Tianbao UX5 UAV

兩期數(shù)據(jù)分別采集于2018年6月9日、2018年9月4日，第一期和第二期無人機(jī)影像均為560張，相對地面平均航高為250 m左右，設(shè)計(jì)為東西航向，航帶為28條，考慮到本試驗(yàn)所用無人機(jī)平臺較輕、穩(wěn)定性差和抗風(fēng)能力弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的航向和旁向重疊率均為80%，見表2。

表2 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)信息Table 2 Information of UAV images

2.2 數(shù)據(jù)處理及精度分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

根據(jù)前述無人機(jī)攝影測量監(jiān)測地表沉陷的基本原理，首先構(gòu)建DEM，分別將外業(yè)無人機(jī)平臺采集的2期影像數(shù)據(jù)以及GPS RTK采集的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入PhotoScan軟件中，進(jìn)行初始預(yù)處理剔除掉部分扭曲或模糊的照片，然后對齊照片；然后進(jìn)行影像匹配獲取影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)，并剔除誤匹配點(diǎn)；利用少量的外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)據(jù)在像片上刺同名點(diǎn)，進(jìn)行輔助GPS光束法區(qū)域網(wǎng)平差以獲取高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行密集匹配、SfM攝影測量等處理，建立實(shí)驗(yàn)區(qū)域的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插獲取數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)，如圖4和圖5所示。

圖4 第一期DOM圖像(左)和DEM圖像(右)Fig.4 DOM (left)/ DEM (right)of phase I

圖5 第二期DOM圖像(左)和DEM圖像(右)Fig.5 DOM (left)/ DEM (right)of phase Ⅱ

然后對利用ArcGIS軟件對2期DEM進(jìn)行相減，得到無人機(jī)攝影測量監(jiān)測的某煤礦2S201工作面從2018-06-09至2018-09-04間的地表沉陷，最大下沉值為2 487 mm，如圖6所示。

2.2.2 DEM及沉陷盆地精度分析

為分析無人機(jī)攝影測量技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的精度，采用全站儀和水準(zhǔn)儀于2018年6月和9月分別對布設(shè)的15個(gè)地面測站點(diǎn)進(jìn)行測量(地面測站點(diǎn)分布情況如圖6所示)，得到兩個(gè)時(shí)期的各地面觀測站的平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并與無人機(jī)數(shù)據(jù)生成的DEM和沉陷盆地上對應(yīng)點(diǎn)的高程和沉降值數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較。

圖6 無人機(jī)攝影測量監(jiān)測的沉陷盆地Fig.6 Subsidence basin monitored by UAV photogrammetry

1)DEM精度評價(jià)。根據(jù)全站儀測量的地面測站點(diǎn)的平面坐標(biāo)，利用利用ArcGIS軟件提取DEM上對應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的高程。兩期DEM高程與地面觀測站水準(zhǔn)高程對應(yīng)比較，見表3和表4。

表3 第一期DEM的誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Error statistics of first period DEM

表4 第二期DEM的誤差統(tǒng)計(jì)Table 4 Error statistics of second period DEM

通過對地面觀測點(diǎn)和DEM對應(yīng)點(diǎn)的高程差值的均方根誤差進(jìn)行計(jì)算，以此評估DEM的精度，均方根誤差計(jì)算公式為

(1)

式中：M為均方根誤差(即中誤差)；Δi為高程差值；n為實(shí)測點(diǎn)數(shù)量。

由上表數(shù)據(jù)計(jì)算可得，第一期和第二期的DEM的高程均方根誤差分別為0.236 m和0.220 m，兩期DEM的平均高程均方根誤差為0.228 m。

2)沉陷盆地精度評價(jià)。將2期水準(zhǔn)高程相減得到的下沉值與2期DEM相減得到的沉陷盆地上相應(yīng)的下沉值作比較，見表5，得到下沉中誤差為0.081 m。

由表3—表5數(shù)據(jù)可以看出，無人機(jī)監(jiān)測的下沉值在14、15號點(diǎn)的相對誤差較大，主要由于該位置處下沉量小為厘米級，無人機(jī)監(jiān)測精度無法達(dá)到要求，因此誤差較大；而7～11號點(diǎn)處則由于一些非采動(dòng)因素(農(nóng)民挖沙子)的影響，造成較大誤差。

表5 沉陷盆地誤差統(tǒng)計(jì)Table 5 Error statistics of subsidence basin

對下沉差值的均方根誤差進(jìn)行計(jì)算，以此評估沉陷盆地的精度，均方根誤差計(jì)算公式同式(1)。

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)計(jì)算可得，沉陷盆地的下沉值中誤差為0.081 m。由于無人機(jī)DEM誤差中，系統(tǒng)誤差影響較大，造成無人機(jī)DEM的精度較低，而無人機(jī)監(jiān)測的沉陷盆地是由2期DEM相減獲得，消除了系統(tǒng)誤差的影響，使其只含隨機(jī)誤差，故無人機(jī)攝影測量解算的沉陷盆地的精度相對較高。

2.3 UAV-攝影測量監(jiān)測礦區(qū)沉陷可行性

由上述精度分析可知，本次試驗(yàn)中的UAV求取的下沉盆地精度為81 mm，就單個(gè)點(diǎn)的精度而言，不滿足礦區(qū)開采沉陷變形監(jiān)測精度10 mm的要求而無法直接用于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測，尤其在對建筑物損害鑒定時(shí)，需要觀測沉陷盆地邊界的微小變形(監(jiān)測精度為毫米級)。然而，礦區(qū)沉陷監(jiān)測的另一個(gè)核心作用是求取概率積分參數(shù)，與傳統(tǒng)沉陷監(jiān)測技術(shù)的線狀觀測站不同，UAV攝影測量技術(shù)獲取的是整個(gè)面域的沉陷值，10 mm的精度要求是針對常規(guī)的單個(gè)點(diǎn)而言的，盡管單點(diǎn)監(jiān)測精度不高，但利用面域內(nèi)大量的沉陷數(shù)據(jù)求取的預(yù)計(jì)參數(shù)具有較高的精度，以此對整個(gè)地表沉陷進(jìn)行預(yù)測，可以得到比較可靠的結(jié)果。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的測量誤差對開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的影響分析結(jié)果可知，以測量中誤差和最大下沉值之比作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，比值<7%時(shí)求參結(jié)果可靠，比值>10%時(shí)求參結(jié)果不可靠，比值在兩者之間時(shí)求參結(jié)果部分可靠。根據(jù)計(jì)算可知，無人機(jī)監(jiān)測的某煤礦2S201工作面的測量中誤差81 mm與最大下沉值2 487 mm的比值為3.3%，因此認(rèn)為此次反演求取的沉陷參數(shù)是可靠的。由于2S201工作面在2018-6-9—2018-9-4的開采引起的地表沉陷需持續(xù)一段時(shí)間才能停止，尚未形成穩(wěn)定的沉陷盆地，且此后工作面仍需繼續(xù)推進(jìn)，因此此期間形成的沉陷盆地為“動(dòng)態(tài)沉陷盆地”。故對該期間的沉陷數(shù)據(jù)利用概率積分法的穩(wěn)態(tài)預(yù)計(jì)模型和時(shí)間影響函數(shù)(Knothe時(shí)間影響函數(shù))進(jìn)行動(dòng)態(tài)求參。對UAV監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量獲取的沉陷數(shù)據(jù)的求參結(jié)果進(jìn)行對比，見表6，可得，下沉系數(shù)相對誤差為1.4%，主要影響角正切相對誤差為20%。

表6 開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)反演結(jié)果Table 6 Inversion results of mining subsidence prediction parameters

利用求參結(jié)果進(jìn)行預(yù)計(jì)得到擬合下沉值，實(shí)測下沉值與擬合下沉值的中誤差(即擬合中誤差)應(yīng)滿足小于10%W0(W0為最大下沉值)的要求，否則求出的參數(shù)結(jié)果將會(huì)不可靠。此外，擬合中誤差與測量中誤差成正比，測量中誤差越大，則擬合中誤差也越大。擬合中誤差計(jì)算公式為

(2)

式中：v為實(shí)測下沉值與擬合下沉值的差。

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)計(jì)算得，無人機(jī)數(shù)據(jù)求參結(jié)果的擬合中誤差為181 mm，占最大下沉值2 487 mm的百分比為7.3%，故認(rèn)為該求參結(jié)果相對可靠；而水準(zhǔn)測量的測量精度高于無人機(jī)測量，故水準(zhǔn)數(shù)據(jù)求參結(jié)果也可靠。

由表6中的對比結(jié)果可以看出，由無人機(jī)攝影測量獲得的沉陷數(shù)據(jù)反演得到的下沉系數(shù)是可靠的；而由于無人機(jī)監(jiān)測沉陷盆地邊界誤差較大，導(dǎo)致求取的主要影響角正切值偏小。因此無人機(jī)攝影測量技術(shù)可應(yīng)用于礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測，并可求取可靠的下沉系數(shù)。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾等也是礦區(qū)沉陷監(jiān)測的主要目的之一，無人機(jī)攝影測量技術(shù)以其低成本、高靈活度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理獲取高分辨率地表DEM和全盆地沉陷數(shù)據(jù)以及大比例尺地形圖，為復(fù)墾規(guī)劃提供了基礎(chǔ)信息[15]。此外，獲取的海量的光學(xué)影像數(shù)據(jù)可以提取礦區(qū)地表植被信息，為研究煤礦開采引起的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化提供支撐，彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測手段僅能獲得地表沉降數(shù)據(jù)的不足。

3 討論及建議

1)煤炭開采引起巖層及地表變形問題在生態(tài)環(huán)境極其脆弱的西部地區(qū)尤為突出，嚴(yán)重影響和制約了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人民的健康生活[2]。目前常規(guī)地表移動(dòng)觀測站布設(shè)在工作面主斷面上，由“點(diǎn)”組成“十字形”觀測線，具有尺度小、工作量大、數(shù)據(jù)及信息量少等不足。在西部淺埋深、大采高、快速綜合機(jī)械化及智能化的大規(guī)模、高強(qiáng)度開采已成為主流下，開采引起的巖層及地表移動(dòng)呈現(xiàn)出損害面積大、程度深、波及范圍廣的特點(diǎn)。常規(guī)地表移動(dòng)觀測站已無法適應(yīng)新形勢下的開采損害監(jiān)測任務(wù)；UAV攝影測量為解決上述問題提供了新的技術(shù)途徑。UAV攝影測量以無人機(jī)為平臺，可快速獲取含有豐富的地物光譜信息的光學(xué)影像，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效精準(zhǔn)、作業(yè)成本低(突出的時(shí)效性和性價(jià)比)等優(yōu)勢；通過研究，UAV攝影測量可以快速獲得“面狀”全盆地沉陷數(shù)據(jù)，并可反演可靠的沉陷參數(shù)，可為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾提供豐富數(shù)據(jù)。

2)對UAV攝影測量獲得的DEM以及沉陷盆地的精度進(jìn)行評估，得到UAV監(jiān)測的礦區(qū)地表DEM高程中誤差為228 mm，主要誤差來源于無人機(jī)平臺較輕易受天氣因素影響而導(dǎo)致影像質(zhì)量差，影像畸變大以及無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，這些誤差包括系統(tǒng)和偶然誤差；沉陷盆地通過DEM相減，消除了系統(tǒng)誤差的影響，沉陷盆地的精度為81 mm(即為厘米級精度)，比DEM高程精度提高了64.5%；因此，無人機(jī)監(jiān)測礦區(qū)大變形具有顯著優(yōu)勢，但無法準(zhǔn)確監(jiān)測沉陷盆地邊界區(qū)域小變形。就單個(gè)點(diǎn)的精度而言，無人機(jī)攝影測量監(jiān)測精度不滿足要求；然而，從開采沉陷參數(shù)反演的角度來說，與水準(zhǔn)測量求參結(jié)果相比，無人機(jī)攝影測量獲得沉陷數(shù)據(jù)求取的下沉系數(shù)相對誤差較小，僅為1.4%，由于UAV獲得下沉盆地邊界誤差較大，求取的主要影響角正切相對誤差為20%，誤差偏大。UAV攝影測量的不足之處在于：①無人機(jī)平臺較輕、攝影姿態(tài)不穩(wěn)定(影像旋偏較大)；②飛行高度低、影像幾何畸變大；③航攝影像重疊度不規(guī)則等方面的缺陷，導(dǎo)致UAV攝影測量的高程測量精度相對較低。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，平均高程精度為228 mm(即為分米級精度)。UAV監(jiān)測礦區(qū)開采沉陷大變形具有優(yōu)勢，卻無法準(zhǔn)確獲得沉陷邊界區(qū)域數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致其反演的參數(shù)主要影響角正切誤差較大的原因。

3)盡管無人機(jī)攝影測量技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷中存在些許不足，但其監(jiān)測得到的高分辨率影像以及處理生成的各數(shù)字產(chǎn)品對于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要作用。為推廣無人機(jī)攝影測量技術(shù)在礦區(qū)中的應(yīng)用，需提高其監(jiān)測精度，可以通過傳統(tǒng)觀測站與無人機(jī)攝影測量技術(shù)聯(lián)合監(jiān)測的方法；根據(jù)文獻(xiàn)[16]中測點(diǎn)缺失對地表移動(dòng)參數(shù)的影響的研究可知，重要觀測點(diǎn)(如最大下沉處、拐點(diǎn)附近等)對概率積分法參數(shù)的確定起決定性作用，為彌補(bǔ)無人機(jī)攝影測量技術(shù)存在的缺陷，可以將觀測站布設(shè)在礦區(qū)地表最大下沉處、拐點(diǎn)附近以及盆地邊界；將觀測站數(shù)據(jù)與無人機(jī)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，既可得到完整可靠的沉陷盆地，又能可靠地求得開采沉陷預(yù)計(jì)的各參數(shù)。此外，隨著無人機(jī)制造工藝、機(jī)載定位、視覺算法等技術(shù)的創(chuàng)新，無人機(jī)攝影測量技術(shù)正趨向于智能化和自動(dòng)化發(fā)展[17]；研制高效鋰電池、太陽能電池、無人機(jī)群體化協(xié)同作業(yè)等方法提高了無人機(jī)的續(xù)航能力，使無人機(jī)攝影測量技術(shù)更能適應(yīng)于礦山的大規(guī)模監(jiān)測；無人機(jī)與相機(jī)設(shè)備的進(jìn)步，使由無人機(jī)平臺不穩(wěn)定、影像畸變等問題造成的誤差可以減小。

4)除了提到的常規(guī)測量技術(shù)和UAV攝影測量外，目前地面三維激光掃描技術(shù)，InSAR技術(shù)也被應(yīng)用礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中。然而，地面三維激光掃描技術(shù)雖然可以獲得大量空間點(diǎn)云信息，從而構(gòu)建三維模型[18-21]，但其監(jiān)測成本高且需多次遷站，不具有靈活性；InSAR技術(shù)可全天時(shí)、全天候連續(xù)監(jiān)測，且監(jiān)測成本低[22-24]，但時(shí)空相位失相干阻礙了它在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的推廣應(yīng)用[25]。而無人機(jī)攝影測量技術(shù)以其成本低、監(jiān)測范圍廣、靈活度高、可連續(xù)性監(jiān)測等優(yōu)勢，逐漸在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。隨著測繪新技術(shù)的發(fā)展，多種技術(shù)融合，多源數(shù)據(jù)融合是開采沉陷監(jiān)測的發(fā)展趨勢，通過多技術(shù)融合可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚(yáng)長避短獲得更高精度的全盆地沉陷數(shù)據(jù)，可以精細(xì)化研究地表盆地變形。通過多源數(shù)據(jù)融合即可以獲得地表變形，又可以精確獲得礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及其變化，為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)、環(huán)境評價(jià)及后評價(jià)提供高精度豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

1)分析了西部大多數(shù)礦區(qū)煤層淺埋，大采高、高強(qiáng)度快速開采引發(fā)的地表沉陷呈現(xiàn)變形速度快、損害程度深、波及范圍廣的特點(diǎn)。常規(guī)觀測站的不足導(dǎo)致其已無法適應(yīng)高強(qiáng)度開采地表損害監(jiān)測任務(wù)。在這種形式下，如何快速、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測西部高強(qiáng)度大規(guī)模開采引起的地表沉陷與環(huán)境損害是解決問題的關(guān)鍵。提出采用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，給出了無人機(jī)攝影測量監(jiān)測礦區(qū)開采損害的思路和方法，并以內(nèi)蒙古鄂爾多斯某煤礦為例進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果表明無人機(jī)攝影測量技術(shù)可以獲取“面狀”全盆地?cái)?shù)據(jù)并反演出穩(wěn)定可靠的參數(shù)，具有簡單、高效、快速的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)監(jiān)測方法的不足。

2)以某煤礦為研究對象，利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)獲取地表影像數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測區(qū)域高分辨率的DEM數(shù)據(jù)和沉陷盆地。通過與全站儀/水準(zhǔn)測量的地面觀測站數(shù)據(jù)對比，對無人機(jī)DEM和沉陷盆地的精度進(jìn)行評估，精度分別為228 mm和81 mm，基于精度分析結(jié)果對無人機(jī)攝影測量技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的可行性進(jìn)行分析，得出其在開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)反演中，可以求得較為可靠的下沉系數(shù)；獲取的大量影像數(shù)據(jù)可以為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復(fù)和土地復(fù)墾提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)無人機(jī)攝影測量技術(shù)作為一種新技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采地表沉陷中，具有監(jiān)測成本低，耗時(shí)短等優(yōu)勢，結(jié)合某煤礦研究實(shí)例來看，其監(jiān)測精度81 mm達(dá)厘米級，但對于單點(diǎn)精度來說尚待提高，可對其誤差源進(jìn)行分析以改善其精度，使之在煤礦開采沉陷監(jiān)測中得到推廣應(yīng)用。

4)討論分析了無人機(jī)攝影測量及現(xiàn)有監(jiān)測手段的優(yōu)缺點(diǎn)，建議采用傳統(tǒng)觀測站與無人機(jī)攝影測量技術(shù)聯(lián)合監(jiān)測的方法，可以得到更為精準(zhǔn)的沉陷盆地信息和參數(shù)。隨著測繪新技術(shù)的發(fā)展，多種技術(shù)融合發(fā)揮各自優(yōu)勢，多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行精準(zhǔn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損害監(jiān)測是開采沉陷監(jiān)測的發(fā)展趨勢。