基于無人機航攝技術的礦山地質災害預警模型

高維寅

（甘肅省有色金屬地質勘查局天水礦產勘查院，甘肅 天水 741024）

近年來，經濟社會的不斷發展，對于礦產資源的需求也越來越大，與此同時，礦產開發活動日漸加深，規模也越來越大，為經濟社會提供了充足的能源。但是與此同時，也造成了巨大的生態環境破壞，污染環境問題變得越發突出起來，并且還造成各類嚴重的地質災害，不僅對人們的生產生活造成很大影響，而且現已成為阻礙經濟社會發展的主要因素[1]。下文利用無人機遙感技術對礦區的正射影像及大場景立體正射影像對進行獲取的基礎上，對礦山開發活動造成的各種影響進行定性和定量分析，并探討礦山地質災害的類型即其規模和危害與損失，研究礦山開采活動給工程設施以及建筑物造成的破壞與影響，希望能為相關工作提供一定的參考價值。

1 無人機低空遙感系統

無人機低空遙感系統是基于無人飛行平臺基礎上，借助其機載的數碼攝像設備，對目標實施拍攝與記錄，并在相關數據處理技術上，分析處理影像數據，進而實施的監測與調查地面信息。無人機遙感系統主要由空中飛行器以及相應的數據模塊以及地面監控模塊所構成[2]。無人機的飛行路線以及其平穩運行主要受空中飛行及相關數據模塊所控制，同時將獲取的飛行數據以及獲取的相關數據進行地面傳輸。無人機飛行系統以及遙感系統和飛行器姿態控制系統和數據傳輸系統。無人機飛行姿態的調整以及其命令獲取和數據接收與監控等，主要通過地面監控模塊來實現，其模塊組成主要包括飛行器狀態監控以及其數據結構和地面控制命令模塊等組成。

2 礦山地質災害無人機航攝技術探測方法和流程

2.1 數據獲取與處理

針對研究區，利用無人機飛行平臺，搭載數碼相機進行數據獲取和處理，數字影像優于0.20m，分別達到80%的航向重疊與50%的旁向重疊。針對礦山地質災害進行詳細的探測，在此基礎上獲得該區的數字正射影像與立體正射影像對。

（1）正射影像。對野外像孔點進行實際監測，通過DPUrid軟件來有效處理影像數據，改正畸變，匹配影像以及對空中三角測量進行解析，生成數字高程模型和拼接正射影像，最終將區內分辨率2.20m的正射影像進行獲取[3]。

（2）立體正射影像對。是將研究區進行每個航帶以及多條航帶的各個模型進行一個大場景立體模型的構建，通過斜平行投影手段進行制作，其步驟主要為：①xy平面位置上方形格網呈一定間隔，在數字高程上進行正射投影，將Xi、Yⅰ、Zⅰ坐標進行獲取，并利用共線方程對xⅰ，yⅰ坐標上相應的像點進行獲取，通過該影像進行正射影像制作；②通過XY平面相同方格網，根據吧格網點在數字高程表面根據平行投影方向進行格網投影，XZ面和此投影呈現平行特點，將DEM表面和此投影相較的X1ⅰ,Y1ⅰ,Z1ⅰ坐標進行獲取;③把X1ⅰ,Y1ⅰ,Z1ⅰ等與投影的平行的地表點坐標，依照中心投影方程式在右側影響上進行改變，獲知完善的影像斷面數據，通過x1ⅰ,y1ⅰ數據進行立體匹配片制作。通過上面的制作，獲取正射影像以及立體匹配片，形成大場景立體正射影像對。能夠將地形三維信息全面的獲取出來，有效提升地形可視化程度，在立體觀察設備下，便能夠進行立體測量、瀏覽以及顯示，更好的識別礦山地質災害。

（3）礦山開發對土地資源的影響與破壞。依照礦區地物的光譜以及紋理和形狀等影像在正射影上的特點，開展人工解譯，礦區分布著大量的旱地，呈現不均勻的色調特征，表現為土黃色以及深綠色，形狀表現為不規則特點以及長方形，有小路與陡坎存在于相鄰旱地之間；樹木以及水源和交通要道在附近，表現為灰色；在居民以及旱地中穿插公路，表現為灰色和白色，水體表現為帶狀的青綠色，其間還有小船；農村在基地以及溝渠和河流分布在林地中，表現為均勻色調的白色，有的呈現片狀有的呈現為條帶狀。具有類似特征的地物以及具有較大起伏的區域，利用大場景立體正射影進行觀察，對其有效驗證，并對結果進行判讀。

2.2 礦山地質災害的類型及影像特征

地裂隙以及地面塌陷是主要的地質災害類型。地面塌陷是因礦產資源開發過程中，缺少地下支撐，地下水位減低，引發巖土體出現下陷，主要表現為塌陷盆地以及塌陷坑存在。在溝渠以及居民地和旱地區域分布塌陷坑，分布特點多獨立存在，表現為長方形，直徑大小不一，存在不同的色調，褐色分布在其邊緣位置，水在塌陷坑內表現為褐色和深綠色。通過立體大場景正攝像，存在負地形，具有較好的立體效果，相較于正地形，立體效果與之相反，具有非常高的解譯性，區內有43處塌陷坑，達到了71.628hm2的面積大小。

2.3 礦業活動對建(構)筑物和主要工程設施的影響與破壞

礦山開采作業，引發地面下沉導致相關工程設施以及建筑物破壞較大。依照礦區的采掘工程平面圖以及實測信息，對下沉系數以及水平移動和正切的影響系數等預測，同時對礦區采區矩形工作面以及平原信息，利用矩形工作面開采的平地概率積分法地表移動變形預計數學模型予以預測，對任何點的下沉值進行求得，文中主要通過地表移動變形預計軟件開展相應的預測工作，對礦區下沉等值線進行獲取，從而知曉該區的下沉情況和其影響范圍。

在ArcUIS軟件基礎上有效疊加正射影像和區內下沉等值線，定性與定量分析工程設施以及建筑物受到地質災害的影像。通常來說，超過1.5m深度下沉的區域屬于嚴重區，而在0.5m～1.5m范圍內屬于較嚴重區，0.01m～0.5m受害情況較輕微，而在0.0lm影響。

礦區地表移動變形受礦區開發活動影響較大，建筑物和地基存在的穩定性被打破，引發建筑物出現歪斜與倒塌，對人們的生活造成很大影響，所以應當對受到影響的建筑物范圍位置和影響范圍進行及時的進行監測，加強防治。對礦區的正射影像以及大場景立體模型進行運用，可以對礦區中建筑物位置，面積以及其個數進行精細探測，如有積水存在于一些建筑區域，引發開裂傾斜或者倒塌等。

公路以及專用的鐵路和電力設施以及河流等受影響較大，引發河堤發生下沉，知致使河流能以進行蓄水，和進行地表排泄等，溝渠受到影響之后，發生塌陷積水發生截斷，促進坑塘形成；影響公路及鐵路后，引發路面發生沉降，出現開裂。地面沉陷導致地面的電線桿發生傾斜或者倒掉。

3 結論

文中在礦山地質災害監測過程中，利用低空無人機遙感技術，活得非常好的應用效果，同時進行實地驗證，對礦區相關信息的提取準確性進行了驗證，結果顯示，無人機遙感技術，不僅能夠及時的獲取相關信息數據，而且精確度非常高，大大提升了探測的精細化程度，具有非常高的數據分析精準性，可以精準的獲得礦區的地質災害信息。相較于其他的遙感探測技術，無人機遙感技術在礦山地質災害探測過程中應用優勢非常突出，具有很好的應用前景。