基于傾斜攝影測量的礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

彭為學(xué)，廖明芳，張 旭，劉 盼

（湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430000）

由于人類對于資源的大量需求和開采，對于礦山的開采的程度也逐漸加深。以往由于對礦山資源開發(fā)的不科學(xué)不合理，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐V區(qū)出現(xiàn)一些地形明顯、劇烈的變化，引發(fā)基于人為活動的地質(zhì)災(zāi)害，為當(dāng)?shù)卦斐闪松?cái)產(chǎn)損失[1]。隨著科技的發(fā)展，在對礦山進(jìn)行開采時(shí)，人們都會對其進(jìn)行精準(zhǔn)的測量和評估，確保開采的位置與礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)保持在安全距離，以此來保證開采工作的順利進(jìn)行。在對礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行定位的過程中，傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集主要是基于地面完成數(shù)據(jù)的調(diào)查，這種方法比較精確，但是由于設(shè)備的問題無法探測變幅和地面厚度信息，尤其是對于一些地形比較復(fù)雜的區(qū)域來說，且地面測量人員的安全得不到保障，隨著無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，可以很好的解決這個(gè)問題，因此本文提出一種基于傾斜攝影測量的礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)。

1 基于傾斜攝影測量的礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件主要對無人機(jī)的型號和傾斜攝影傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文系統(tǒng)中選擇的無人機(jī)平臺為紅鵬公司研制的AC1100六旋翼電動無人機(jī)，能源供給選擇的是鋰電池，達(dá)到的穩(wěn)定云臺能夠保證在礦區(qū)進(jìn)行測量時(shí)無人機(jī)的穩(wěn)定性[2]。其飛行升限為1000m，在空中的控制半徑為1000m，作業(yè)高度范圍在1000m～5000m之間，鋰電池的續(xù)航時(shí)間在載重為2.3kg的情況下，續(xù)航時(shí)間能夠達(dá)到25min，最大升降速度可以達(dá)到6m/s，巡航速度為10m/s，懸停精度垂直方向在±1m，水平方向在±2m，在飛行過程中最大可抗29km/h～38km/h的風(fēng)，約為5級風(fēng)速。

傾斜攝影相機(jī)采用的是索尼DSC-QX100的5鏡頭相機(jī)，該型號的相機(jī)配備了一個(gè)下視鏡頭和4個(gè)傾斜視鏡頭。其傳感器的尺寸為13.2mm×8.8mm，像元大小為2.41μm，該相機(jī)得到的圖像分辨率在5472×3648。該相機(jī)有三視模式與五視模式兩種，不同視角的示意圖如下圖所示：

圖1 傾斜攝影相機(jī)的兩種模式拍攝示意圖

如上圖所示，在三視模式下，三個(gè)鏡頭能夠拍攝到的傾斜角均為45°，在五視模式下,五個(gè)鏡頭能夠轉(zhuǎn)動拍攝到的傾斜角為35°。在不同的模式下，各個(gè)鏡頭之間都會出現(xiàn)一些攝影圖片重疊的情況。由于傾斜攝影是在可見光條件下完成的，因此對光線的要求比較高[3]。在傾斜攝影的測量過程中，無人機(jī)通過垂直陀螺、自主導(dǎo)航GPS來對飛行的方向進(jìn)行控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航線全自主飛行，在特殊情況下可以使用手動遙控。

（2）軟件設(shè)計(jì)。建立地質(zhì)三維模型：在礦山區(qū)域內(nèi)，地質(zhì)災(zāi)害主要是內(nèi)在的因素與外在因素共同作用下而產(chǎn)生的。內(nèi)在因素主要是指地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的背景條件，主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動等。礦區(qū)的地質(zhì)背景對于該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的種類、空間分布以及發(fā)生規(guī)模頻率有著決定性因素。外在的因素主要包括下雨等自然誘因和人類的采礦活動等的人為誘因。首先需要獲得無人機(jī)拍攝到的數(shù)據(jù)，無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)通過無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，完成攝影拍照的定點(diǎn)等距曝光，實(shí)現(xiàn)遙感影像及曝光時(shí)刻的POS數(shù)據(jù)的自動采集。整理對應(yīng)的影像POS數(shù)據(jù)，將5個(gè)方向得到的圖片按照指定的規(guī)則進(jìn)行重新命名，接下來利用采集到的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，并使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)合成得到的影像。通過軟件Arcgis中的鑲嵌功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)塊狀的DOM和DSM之間的拼接，但是拼接之后會出現(xiàn)零星散碎的小斑塊，需要使用TIN網(wǎng)進(jìn)行重新構(gòu)建，修復(fù)漏洞，否則會無法空三匹配找到同名像點(diǎn)而無法得到實(shí)際地面上的三維坐標(biāo)。完成三維模型的建立。

（3）提取地質(zhì)災(zāi)害要素。在礦山地質(zhì)中，大部分的地表為裸露的黃土，相對于其他地區(qū)來說植被稀少且低矮。通過三維模型中的各個(gè)數(shù)據(jù)，可以快速獲取到礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的災(zāi)害要素信息，可以分為定性要素提取與定量要素提取。并能夠預(yù)估災(zāi)害發(fā)生之后的影響面積，精準(zhǔn)獲取到物源源頭的信息，為地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查和防控提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。根據(jù)三維模型的地質(zhì)分布走向，可以大致分析出泥石流的形狀和總體展布，并通過圖片數(shù)據(jù)可以得到溝床的寬度、兩岸邊坡等地質(zhì)信息，分析出物源類型。在物源類型的分辨中，可以使用SVM進(jìn)行分類，首先對地物類別進(jìn)行定義，并判別，隨后進(jìn)行樣本的選擇，主要目的是可進(jìn)行分離性控制，然后利用SVM分類器進(jìn)行分類，經(jīng)過分類處理后進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。至此完成礦山地質(zhì)災(zāi)害的要素提取。

（4）災(zāi)害易發(fā)區(qū)的精準(zhǔn)定位。結(jié)合上述提取的提取的地質(zhì)災(zāi)害要素，需要對災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。定位過程實(shí)際上就是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評價(jià)過程。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不同災(zāi)害類型和不同區(qū)域的影響因子和權(quán)重都會有一定的差異。因此需要選擇影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的因素，也就是易發(fā)性因子，建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，求出易發(fā)性因子的權(quán)重。首先構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)，一般分為三層，目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和措施層，這三層按照從上到下的順序依次排列，然后構(gòu)造判斷矩陣，在結(jié)構(gòu)層次中，采用1～9重要性標(biāo)度法，按照因素之間的重要程度進(jìn)行兩兩因素重要性判別，將判斷矩陣作為參考，比較某一因素與另一因素的重要程度，并按事前規(guī)定的標(biāo)度定量化(用自然數(shù)及其倒數(shù)做出相應(yīng)表示)，構(gòu)成矩陣形式，即判斷矩陣。根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出特征向量，即為各個(gè)評價(jià)因素中的重要性排序，鏡柜歸一化處理后得到重要性排序權(quán)值，得出同一層次內(nèi)不同指標(biāo)因素的權(quán)重。經(jīng)過以上的評判步驟之后，可以得到礦區(qū)內(nèi)各區(qū)域的災(zāi)害易發(fā)性評估結(jié)果，根據(jù)評估結(jié)果，能夠完成礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的精準(zhǔn)定位。

2 系統(tǒng)測試

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，需要對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。本文選擇某礦區(qū)進(jìn)行實(shí)例研究，該礦區(qū)發(fā)生過泥石流的區(qū)域的地層巖性圖如下所示：

圖2 區(qū)域地層巖性圖

在上述實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，分別使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和原有的定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄與分析。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，得到兩系統(tǒng)在某地的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)表，如下表所示：

表1 兩系統(tǒng)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)果

從上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩個(gè)系統(tǒng)的判斷結(jié)果比較接近，差異不大，在定量計(jì)算的過程中，無人機(jī)傾斜攝影手段能夠獲得普通RGB影響無法探測的變化，因此更加準(zhǔn)確。說明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的有效性。

3 結(jié)束語

本文將無人機(jī)以及傾斜攝影測量應(yīng)用在礦山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)中，能夠精確有效的測量出探測變幅和地面厚度信息，提高定位的準(zhǔn)確度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，雖然取得了階段性成果，但是還有很多方面需要在下一步的研究中繼續(xù)完善和改進(jìn)。