基于無人機攝影技術的露天礦山安全評價技術*

徐超，朱遠樂，廖文景，戴軍，王淇萱

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.湖南銘生安全科技有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

安全評價也叫風險評價或危險評價，以實現安全為目的，應用安全系統原理和方法，辨識與分析工程、系統、生產經營活動中的危險有害因素，預測發生事故造成職業危害的可能性及其嚴重程度，提出科學、合理、可行的安全對策，做出評價結論[1]。安全評價是提高礦山安全系數和安全生產水平的重要手段，也是監管部門為礦山頒發安全生產許可證的前提條件。

目前安全評價行業存在評價方法單一、評價準則不完善、缺少定量評價手段以及多數評價人員業務素質欠佳等問題[2]。有些評價機構和評價人員只把安全評價看成賺錢的手段，未按照規范和國家標準評價，對隱患缺乏足夠的重視[3]，甚至受利益驅使，避重就輕，出具虛假報告；還有企業造假，不愿意提供真實資料，導致安全評價形同虛設、走過場等[4]。上述安全評價中存在的問題直接影響到安全評價的效力，致使本可以發現和控制的隱患進一步發展成生產安全事故，影響礦山的安全運行。長此以往，將影響到礦山行業的健康安全發展。因此，安全評價人員除了必須堅持基本的職業道德和操守外，還需積極思考安全評價的新方法，發掘安全評價的新技術，以適應礦山行業智能化、信息化的實際需求。

近年得益于低空、低速小型消費級無人機的推廣使用和相關軟件的研發，無人機攝影測量技術以其效率高、成本低、機動靈活、環境適應性強等優點廣泛應用于露天礦山各個領域，目前已實現無人機實測地形[5?6]、無人機協助露天礦山指揮生產調度[7]、基于無人機攝影測量的露天礦邊坡數值模擬[8]等。基于以上應用的領域，本文提出了無人機的攝影測量技術在露天礦山安全評價工作中的應用場景，并通過應用實踐，以期解決露天礦山周邊環境調查、快速獲取準確的露天境界參數[9?11]等問題。

1 無人機攝影測量技術

無人機智能安全巡航通過搭載攝影部件采集露天礦山地表數據，包括傾斜攝影數據、視頻記錄、航拍照片等。無人機沿設定好的航線獲取垂直于被攝物體的航空像片，在相隔一定距離的不同時間、不同位置拍攝同一目標，基于存在的視差構成立體像對，再通過空中三角解析法進行圖像解析，將系列二維航拍圖像轉換為整個露天礦山的三維密集點云，接著結合三維建模技術生成露天礦山的三維傾斜攝影模型。無人機攝影測量流程如圖1 所示。

圖1 無人機攝影測量流程

軟件系統利用三維GIS 技術構建三維地球環境，通過載入傾斜攝影模型構建出與GIS 環境相融合的虛擬露天礦山場景，可整體查看露天礦山的地貌特征，也可查看露天礦山的細節特征。軟件系統通過空間幾何計算封裝多種標繪和量算工具，為露天礦山安全風險分析提供便利支撐。

2 無人機攝影技術在礦山安全評價中的應用場景

以湖南岳陽某露天礦山為利，該礦山為基建礦山，礦區面積為0.6 km2，準采標高為+380～+115 m，核準的生產規模為500 萬t/a，開拓運輸方式為公路開拓，汽車運輸，采用中深孔爆破、分臺階開采。該礦在開展安全設施驗收評價階段時，項目組利用無人機對該礦山周邊環境進行了調查；同時利用形成的三維模型，快速采集礦山的境界參數，并將其與傳統測量手段對比，核實了其誤差在可接受范圍內，從而對安全驗收評價提供技術支撐。

2.1 使用無人機調查礦山周邊環境

露天礦山因其作業程序存在爆破、鏟裝等工序，可能對周邊環境造成安全風險。因此在安全評價過程中，探查礦山周邊環境（人員、設備、設施、建筑等）是重點工作內容。若在安全預評價階段，勘查到礦山可能對周邊環境造成安全風險，則需重新考慮礦山選址的合理性，或者設計措施消除、減輕對周邊環境的影響；在驗收評價及現狀評價階段，則需立即采取安全管理和技術措施，消除或減輕影響，以確保礦山生產與周邊環境相互影響可控、符合國家標準規范的要求。

露天礦山往往位于山區，周邊區域一般不便于行人，且可能受樹木的影響通視困難，以往的評價人員主要通過實地踏勘、走訪等形式調查礦山周邊環境，存在耗時長、工作量大、無法獲得全面準確的信息、調查存在盲區等問題，導致評價人員難以充分掌握礦山周邊情況，無法充分辨識其存在的風險。

利用無人機探查礦山周邊環境，將無人機帶至礦山現場后，在無人機終端擬定飛行航線，考慮爆破影響范圍，以礦權范圍外擴500 m 作為飛行區域。無人機經過現場約1.5 h 的飛行后，利用無人機三維建模軟件，將其收集的數據進行數據處理，即可形成礦山三維實景模型，如圖2 所示。

從圖2 可清晰看出，該礦北部周邊存在水庫，礦區東面存在民房，東南面分布有礦山建筑物（破碎系統、配電房），西南面存在廢棄破碎站等。結合軟件的量算功能，可直接在模型中測得礦區周邊環境因素與本礦區的距離，從而分析礦山與周邊環境之間相互影響關系，為提出對應的對策和建議提供依據。

圖2 基于無人機攝影形成的礦山三維模型

2.2 無人機實時測繪采場境界參數

露天礦山安全評價需對礦山采場境界參數（臺階邊坡、寬度、高度）進行采集，將采集的參數與設計參數進行對比，判斷其符合性；另外還需將采集的數據用作采場邊坡穩定性評價。傳統方法主要是通過測量單位提供的礦山實測平面圖，結合現場踏勘的直觀感受輔以小范圍的現場勘測來獲得。實測圖主要通過全站儀測得，雖然其單點監測精度非常高，但由于其僅在平臺或邊坡上選取有限的測點進行測量，因此難以全面表現出邊坡現狀。此外，從實測圖上看，或許邊坡整體狀況較好，平均坡度、高度符合要求，但局部不符合要求的部分難以被體現出來，從而被評價人員忽視。而往往這些局部的隱患可能引發安全生產事故。

無人機測量的數據及傳統測量方法測得的數據見表1。由表1 可知，235 平臺寬度、220 平臺寬度均大于50 m，滿足設計平臺寬度不小于50 m 的要求；235 平臺坡度分別為67.0°、71.3°，而設計邊坡角為70°，則說明235 平臺局部臺階偏陡，企業應進行整改。通過與傳統方法測得的數據進行對比，無人機攝影測量技術獲得的數據誤差值在可接受范圍內，能滿足安全評價工作需求；同時由于其數據處理具有便捷和快速特點，提高了對露天礦山境界參數的符合性判定效率。

表1 測量參數對照

另外，當評價人員需要通過某一剖面了解其邊坡安全狀況時，一般采用畫圖軟件（CAD/MAPGIS等）根據實測平面圖由人工作剖面圖，這樣不僅工作任務繁重，而且效率很低。而基于無人機攝影測量而形成的三維模型實際是由無數個點集合而成，每一點具有唯一的矢量特征。通過軟件，可在三維模型中任意指定剖面線，直接生成對應的剖面圖（見圖3），并查閱剖面線的相關特征數據。同時可將該軟件生成的剖面圖導入Slide 等邊坡穩定性分析軟件，輸入相關巖體力學參數后可直接進行邊坡穩定性計算分析，為評價提供判定依據。

圖3 在礦山三維模型內獲得的任意剖面

此外，以往評價人員僅通過有代表性的幾組剖面來評價整體邊坡的穩定狀況，得出的評價結論取決于評價人員的經驗，可能存在誤判。基于無人機攝影技術及處理軟件獲得剖面的高效性，評價人員可在三維模型中設置多個剖面線，以獲取多個剖面用于計算邊坡穩定性。這樣選取的剖面樣本數更多，更能代表采場邊坡的實際情況，確保安全評價結論的可靠性。

類似地，上述無人機配套軟件同樣可用于測量礦山道路的坡度。礦山道路的坡度是露天礦山生產中重要的技術參數，其是否符合要求直接影響礦山的安全生產。根據重大生產安全事故判定標準，“上山道路坡度大于設計坡度的10%以上”屬于重大隱患，因此對礦山道路的測量十分必要。基于無人機及配套軟件，在形成的礦山三維模型中沿上山道路新建剖面、畫出線路，即可形成對應剖面圖，如圖4 下方所示。根據形成的剖面可清晰地了解道路坡度的整體和局部狀況，并快速計算其坡度是否符合要求。

圖4 在礦山三維模型內獲得的道路剖面

2.3 無人機進行安全隱患排查

安全隱患排查是安全評價的重要工作內容。露天礦山安全評價的“合格”結論，是在其按照安全評價組提出的隱患整改意見完成整改工作的前提下做出的。以往評價人員進行安全隱患排查工作的方式主要是現場踏勘、記錄隱患，并留下相關的影像資料作為輔助證明材料。對于大型礦山，這種隱患排查方式將花費大量的時間和精力，效率較低。而且對于存在邊坡浮石、滑坡、邊坡失穩等安全風險的礦山，評價人員現場勘查時將面臨嚴重的安全風險。

基于無人機攝影技術及處理軟件，評價人員可以在完成礦山安全區域現場踏勘后，使用無人機探查危險區域的具體情況，利用處理軟件形成三維模型后，通過電腦放大、縮小、旋轉等功能，從不同角度觀測礦山任意位置，以了解礦山整體安全狀況，檢查其是否存在安全隱患。

對于排查出的安全風險和隱患，還可以在模型中根據風險分級的原則通過四色圖標識出，更為直觀地表現礦山各區域的風險等級，以分別制定不同的安全管控措施。

圖5 標注效果

3 結論

隨著無人機攝影技術的發展及配套軟件的研發，無人機在礦山的應用場景愈發廣闊。通過分析，基于無人機攝影測量技術的露天礦山安全評價方法相比于傳統安全評價主要有3 個方面的優勢。

（1）用于勘查周邊環境時，無人機效率更高、范圍更廣，可勘查出人工難以查出的危險因素，減少安全評價工作中的遺漏和失誤，提升了安全評價工作的全面性。

（2）評價人員可更快速地獲得露天礦山境界參數，并能高效提取多個剖面，使邊坡穩定性的評判結論更為可靠、符合實際。

（3）可減輕評價人員現場工作的勞動強度及安全風險，利用配套軟件的功能，可與礦山安全風險分級管控相結合，更直觀地呈現礦區隱患區域，并提出針對性的安全管控措施，減少礦山生產安全事故發生。