基于無人機(jī)的礦區(qū)采動(dòng)裂縫遙感解譯方法研究與應(yīng)用

員鴻燕,潘 峰,吳年華,蒙君文

(1.山西工程科技職業(yè)大學(xué)交通工程學(xué)院,山西 晉中 030619;2.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100088;3.北京冠華英才國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)有限公司,北京 101200)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開煤炭資源的支撐[1]。近年來,隨著煤礦開采的不斷增加,圍巖原有的平衡應(yīng)力被破壞,地表崩塌、滑坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害日益嚴(yán)重,礦區(qū)人民群眾的日常生活受到極大影響[2-3]。如何有效地預(yù)防災(zāi)害是研究人員應(yīng)該解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害對搶險(xiǎn)救災(zāi)、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[4-5]。

隨著科技的進(jìn)步,合成孔徑雷達(dá)(InSAR)[6-8]和無人機(jī)遙感[9-11]等變形監(jiān)測技術(shù)逐漸出現(xiàn)。而InSAR技術(shù)在監(jiān)測大梯度形變時(shí),容易產(chǎn)生失相干現(xiàn)象[12-15]。隨著無人機(jī)遙感技術(shù)模塊化,專題化國土、地形、資源、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等空間信息,且自動(dòng)化、智能化完成所采集遙感數(shù)據(jù)的處理、建模和應(yīng)用,無人機(jī)遙感在各行業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用[10,16-18]。部分學(xué)者在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行了探索,候恩科等[19]對無人機(jī)遙感影像影像識(shí)別地表裂縫的效果進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)最小能夠識(shí)別寬度約5 cm的地表裂縫,將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)地災(zāi)監(jiān)測可使得礦區(qū)地表裂縫解譯的精度大幅提高。趙毅鑫等[20]對受采動(dòng)影響的地表進(jìn)行了無人機(jī)熱紅外試驗(yàn),較好地識(shí)別了淺層隱蔽裂縫。LAGUE et al[21]使用多尺度模型對模型點(diǎn)云比較(Multiscale Model-to-Model Cloud Comparison, M3C2)法識(shí)別和監(jiān)測滑坡。

綜上所述,以無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)為主、其它方法為輔,主輔結(jié)合可以有效監(jiān)測分析礦區(qū)開采引起的地表裂縫及滑坡的分布特征、發(fā)育規(guī)律。本文在充分研究礦區(qū)相關(guān)資料基礎(chǔ)上,采用三維模型輔助DOM的裂縫目視解譯方法和DOM、DSM輔助三維模型的滑坡與塌陷目視解譯方法,確定研究區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)災(zāi)害類型有裂縫、滑坡、地面塌陷等。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

礦區(qū)位于山西省陽泉市桃河南側(cè),其東部最高為獅腦山,高程1 171 m;西部最高為龍門山,高程1 246.9 m;最低處為井田北界桃河,高程約700 m,相對最大高程約540 m。研究工作面東北側(cè)有已采工作面,目前均已進(jìn)入穩(wěn)定期,對研究區(qū)域地表造成的影響不大。采空區(qū)處理方式為冒落法,采煤方式為走向長壁后退式綜采。圖1為該工作面地表上方的DOM。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)飛行前,需要進(jìn)行人工野外踏勘,充分了解航攝區(qū)域地形地貌、地面高差、查看地面有無高壓線塔、有無較大水域等。本文采用搭載了D-CAM2000可見光相機(jī)模塊的飛馬D2000無人機(jī)進(jìn)行免像控飛行,飛行高度為255 m、80%的航向重疊和60%的旁向重疊,相應(yīng)的地面采樣距離(Ground Sampling Distance, GSD)為4 cm/像素。無人機(jī)和航線規(guī)劃見圖2所示。

無人機(jī)航測過程中,涉及飛機(jī)自身和飛行人員安全,需要對作業(yè)流程做進(jìn)一步的確定。在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí),必須仔細(xì)考慮飛行條件。選擇合適的飛行地點(diǎn),穩(wěn)定的天氣條件進(jìn)行執(zhí)行任務(wù),盡量保持在恒定和漫反射光照條件下航攝來采集數(shù)據(jù),達(dá)到最佳的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)幾何。

圖2 飛馬D2000無人機(jī)及航線規(guī)劃Fig.2 Feima D2000 UAV and its route planning

2 開采地表裂縫提取及趨勢分析

2.1 裂縫提取

遙感影像上,不同地物對應(yīng)的影像特征不同,目視解譯就是根據(jù)光譜特征、空間特征等解譯標(biāo)志來完成的。遙感解譯標(biāo)志的建立,是在充分分析遙感圖像上的地物和現(xiàn)象的影像特征后,進(jìn)行綜合分析所確定的可以反映和判別地物和現(xiàn)象的影像特征。地質(zhì)災(zāi)害中常見的遙感解譯標(biāo)志見表1所示。

以飛馬D2000無人機(jī)航片處理后最終生成的DOM影像數(shù)據(jù)為底圖,在ArcGIS平臺(tái)上對工作面地面裂縫進(jìn)行目視解譯,將寬度大于4 cm的地表裂縫的發(fā)育長度、形態(tài)、延展方向等特征信息在DOM中標(biāo)記出來。經(jīng)過處理得到2020年12月6日研究區(qū)影像數(shù)據(jù)生成的DOM中的地裂縫數(shù)據(jù),裂縫提取結(jié)果見圖3所示。

2.2 地表裂縫特征

夏季植被和冬季積雪的覆蓋對裂縫的目視解譯造成了較大的影響,僅在裸露的地表可以有效識(shí)別,因此未能全面反映研究工作面地表裂縫的特征。

2.2.1裂縫的平面形態(tài)類型

對研究區(qū)域地表裂縫目視解譯結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記,裂縫分布及平面發(fā)育形態(tài)見圖4。裂縫多數(shù)發(fā)育在工作面上方地表,裂縫形態(tài)多為直線型和曲線型,少數(shù)為分叉型。工作面上方地表裂縫總體上有兩類,一類是邊界裂縫,分布在工作面順槽、切眼及停采線外圍,呈環(huán)狀,發(fā)生于工作面拉伸變形區(qū)域;一類是動(dòng)態(tài)裂縫,分布在工作面內(nèi),其延展方向大體與工作面回采方向垂直,在回采過程中,地表首先受到拉伸變形,裂縫發(fā)育,隨后受到壓縮變形,裂縫閉合。在工作面中心位置,裂縫方向與工作面推進(jìn)方向垂直,延伸至采空區(qū)邊界,逐漸演變?yōu)槠叫杏诠ぷ髅嫱七M(jìn)方向。

圖4 裂縫分布及裂縫平面形態(tài)類型Fig.4 Crack distribution and crack plane shape types

2.2.2裂縫的剖面形態(tài)類型

在無人機(jī)圖像上,通過對裂縫兩側(cè)地表高程信息的提取,可進(jìn)一步將裂縫劃分為正臺(tái)階狀裂縫、負(fù)臺(tái)階狀裂縫和無明顯錯(cuò)落裂縫3種,見圖5。依據(jù)研究區(qū)地表裂縫的目視解譯結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)3種裂縫形態(tài)均有所分布。

圖5 臺(tái)階裂縫圖Fig.5 Step cracks

2.3 地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律

根據(jù)開采沉陷理論與方法,裂縫的產(chǎn)生與地表拉伸變形密不可分,永久裂縫一般在采空區(qū)邊界產(chǎn)生,動(dòng)態(tài)裂縫主要分布在采空區(qū)內(nèi)部,且平行于工作面,呈現(xiàn)出先張后閉的趨勢。主斷面地表點(diǎn)采動(dòng)過程的移動(dòng)軌跡見圖6所示。當(dāng)開采進(jìn)行到圖中1處時(shí),開采影響波及到地表點(diǎn)A,地表下沉速率開始增加,地表點(diǎn)受到拉伸變形,裂縫開始出現(xiàn),該過程為第I階段;地下開采通過地面點(diǎn)A時(shí)(圖中2處),下沉速率急劇增大,地面點(diǎn)移動(dòng)方向近乎垂直,該過程為第II階段;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn),遠(yuǎn)離地面點(diǎn)A時(shí),A點(diǎn)移動(dòng)方向逐漸與工作面中心相同,地面點(diǎn)受到擠壓變形,此為第III階段;當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地面點(diǎn)A一定距離后,該工作面對地面點(diǎn)影響逐漸消失,此時(shí)地面點(diǎn)移動(dòng)停止,為第IV階段。

圖6 采動(dòng)過程中主斷面地表點(diǎn)移動(dòng)軌跡圖Fig.6 Surface point movement trajectory of main section during mining

研究工作面上地表裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程見圖7所示,裂縫經(jīng)歷了較為明顯的產(chǎn)生-擴(kuò)張-減小的發(fā)育階段,裂縫位于工作面邊界處,將發(fā)育為永久性裂縫,后期開采活動(dòng)停止后寬度將穩(wěn)定下來。

圖7 研究工作面地表裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過程Fig.7 Dynamic development process of surface cracks at the working face

3 采動(dòng)災(zāi)害點(diǎn)建模

使用Context Capture軟件建立研究工作面地表的三維模型,在工作面選取三處進(jìn)行DOM和DSM輔助三維模型的采動(dòng)災(zāi)害點(diǎn)解譯。滑坡遙感解譯主要根據(jù)滑坡的平面形態(tài)、滑坡體、滑坡面和滑坡壁等要素對應(yīng)的特征,通過色調(diào)、紋理等特征進(jìn)行解譯。塌陷主要根據(jù)其平面形態(tài)、色調(diào)、紋理等特征進(jìn)行解譯。圖8為研究工作面采動(dòng)災(zāi)害點(diǎn)平面與三維的對照圖,三組對照中,1、2組對照圖為滑坡,第3組對照圖為塌陷。

顯然研究區(qū)的滑坡發(fā)育于陡坡上,因滑體沿斜坡向下滑移,于滑坡后壁形成弧形陡坎;在平面形態(tài)上,呈橫寬大于縱長的弧形、扁圓形;滑坡邊界多呈弧形,影像上滑坡棱線清晰可見;滑坡面呈波形、臺(tái)坎狀及弧形等形態(tài),滑坡體上植被稀疏。地面塌陷以獨(dú)立個(gè)體呈不規(guī)則圓形,其塌陷邊緣在影像上清晰可見。

圖8 研究工作面采動(dòng)災(zāi)害點(diǎn)平面與三維對照圖Fig.8 Plane and 3D comparison diagrams of mining disaster points at the working face

4 結(jié)論

本文主要以山西陽泉礦區(qū)某工作面采動(dòng)地表的地裂縫、滑坡和塌陷監(jiān)測問題為研究對象,以飛馬D2000無人機(jī)低空遙感獲取的DOM、DSM、三維模型為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)際情況、地質(zhì)災(zāi)害遙感標(biāo)志設(shè)計(jì)了多維目視解譯地災(zāi)監(jiān)測方案,結(jié)果如下。

1)根據(jù)研究區(qū)域地表的裂縫提取結(jié)果,能夠清晰提取4 cm的地表裂縫的發(fā)育長度、形態(tài)、延展方向等特征信息,準(zhǔn)確識(shí)別研究區(qū)域平面、剖面裂縫形態(tài),更容易掌握研究區(qū)裂縫動(dòng)態(tài)規(guī)律。

2)DOM和DSM輔助三維模型解譯,能夠精確識(shí)別研究區(qū)的滑坡、塌陷位置、邊界和規(guī)模。將不同災(zāi)害的影像特點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,相似地質(zhì)條件下可以減少圖像的比對,大幅提高礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別效率。

3)三維模型輔助DOM的裂縫目視解譯方法和DOM、DSM輔助三維模型的滑坡與塌陷目視解譯方法,精確識(shí)別研究區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)災(zāi)害的類型、位置、范圍。無人機(jī)提供的高分辨率原始數(shù)據(jù)增強(qiáng)了目視解譯準(zhǔn)確度,相比傳統(tǒng)監(jiān)測、衛(wèi)星遙感存在易操作、易處理、高分辨率的優(yōu)勢,使無人機(jī)礦區(qū)地災(zāi)監(jiān)測擁有廣闊的前景。