無人機遙感監測在煤礦地質災害調查的研究

趙春祥

青海省地質測繪地理信息院（青海省高原測繪地理信息新技術重點實驗室） 青海 西寧 810012

引言

結合礦區地質災害勘察實際可知，傳統的礦區勘察存在效率低下、測量精準程度不夠的問題，這與礦區復雜的地質環境具有較大關系。現代工程測繪體系下，無人機遙感技術在煤礦地質災害調查中也得到了廣泛應用，有效地提升了礦區測量的效率和質量，滿足了新時期工程監測的實際需要。

1 無人機遙感監測系統構成及使用優勢

1.1 系統構成

作為現代工程測繪的重要方式，無人機遙感監測系統在工程監測測量中具有廣泛應用。從系統結構來看，外業空間信息采集系統、內業數據處理系統是無人機遙感監測系統的兩個基本單元。其中外業空間信息采集系統的構成要素較多，其不僅包含導航設備、飛行平臺，而且涉及地面站、遙控設備，此外數據接收和傳感器等都是其重要的組成部分；在內業數據處理系統應用中，除影像畸變糾正、自動空中三角測量外，數字立體測圖也起到至關重要的作用。在內外業協同作用下，無人機遙感監測系統能準確獲取地物資料信息，按設計的數據處理程序處理這些地物資料信息，能準確地獲取DOM、DEM、DLG和DSM等成果，有效地保證了工程測量的高效性、及時相關和準確性[1]。

1.2 應用優勢

現階段，無人機遙感監測系統在工程測量中得到了廣泛應用，結合煤礦地質災害調查實際可知，該系統的應用優勢表現為：一方面，無人機遙感測繪技術將無人機作為技術載體，通過高清攝像機等傳感設備的應用，有效地實現了地物對象的大范圍、高效率測量，有效地提升了礦區地質災害調查的效率。另一方面，相比傳統的人工測量手段，無人機遙感測繪技術還具有技術成本低的特征，這是因為采用無人機遙感監測系統開展工程測量時，所需要投入的人員較少，測量過程簡便且測量時間較短，這有效地減少了工程策略中的資源損耗，具有測量過程投入成本低的優勢特征。其三，靈活性強、測量精度高等也是無人機遙感測繪技術應有的主要優勢所在，即在實際測量中，出無人機安裝、操作簡潔性外，測繪人員可結合實際需要進行無人機提升和下降操作，確保了工程測量的靈活性。另外在GPS定位技術、數字化技術、無人駕駛技術支撐下，經高精度傳感攝像機獲取地物資料后，工作人員還能在地面數據處理系統的支撐下進行數據的傳輸、分析和利用，這減少了人為因素對數據處理的干擾，確保了測量結果的整體精度[2]。

2 煤礦地質災害調查中無人機遙感測繪技術應用技術要求

2.1 測量布網

基于無人機遙感測繪技術實施礦區地質災害調查時，先應規范化的開陣測量布網工作，為外業數據的獲取奠定良好基礎。其一，在航線設計初期階段，現需要目測飛行場地，并規范化的開展實地 踏勘，以此來確定具體的測量地點、范圍，明確礦區無人機起飛、降落的具體區域。其二，合理布設像控點對于提升項目測量精度具有深刻影響。實際測中，應在RTK技術、GPS技術的支撐下，進行像控點的系統布設，該環節中，應通過多次校核來保證像控點的精準性；就像控點所在位置而言，其不僅需要滿足易于測量、易于引測的要求，而且需符合不易破壞的規范，此外像控點的數量需根據測區的范圍進行實際測量。如在礦區地質災害處理中，若礦區測繪的范圍較小，這布置4個像控點即可。其三，在測量基站選擇中，應采用三腳架實施對中觀測，測量次數需不少于3次，然后取平均朱作為基站坐標值。在檢測點布置中，應在測區的四周和中心設置檢測點，要求檢測點具有代表性，能準確地反映地質災害影響下的礦區地形起伏狀況，為確保檢測點的醒目性，還需通過白灰在檢測點位置設置矩形十字。其四，在現代工程測量體系下，確保煤礦地質災害調查工作的有序開展，在測量布網階段，還需在信息技術的支撐，構建工程測量三維模型，然后將基準點坐標錄入其中，為后期的測繪奠定良好基礎。

2.2 航線確定及航測參數確定

無人機遙感測繪實踐中，航線及航測參數對于整體測量效率與精準程度具有深刻影響。在航線設置中，需確保按照航線測量后，所測數據覆蓋測區任務需要。基于這一要求，在航線設置中，應重視航測參數的系統控制；除航攝分辨率、重疊度外，航攝高度都是航線參數控制的重要內容。首先當無人機同向飛行航測時，要求同向的重合率保持在60%以上，而無人機旁向重合率需控制在30%。其次在航測過程中，還應做好航測高度和速度的控制。如基于無人機遙感測繪技術實施傾斜測量時，要求無人機的飛行高度超過180m，且在無人機飛行速度控制中，應保證其飛行速度控制在6～8m/s，確定飛行速度后勻速行駛，以保證測量準確率[3]。

2.3 內業數據處理

內業數據處理中應考慮數據的完整性、精準度和重復性，同時應及時的剔除錯誤的數據，當發現存在數據不完整問題時，需進行補測處理，隨后將測量的信息數據錄入到計算機系統中，為后續的數據處理奠定良好基礎。信息數據處理中，處理軟件的選擇和應用對于后期處理效果具有深刻影響。對此應結合而測量數據的格式、精度需要，系統化地選擇測量軟件。通常礦山地質災害測量數據處理中，常見的數據處理軟件不僅包含ArcGIS軟件、CAD軟件，而且涉及CASS軟件，應合理使用這些軟件，進行測量圖像、影像數據的處理。在數據處理中，應盡可能地使用數值化的軟件來體系相關信息的數字坐標，并完成相關數據的平差處理，確保數據的準確性和科學性。譬如在航拍照片數據處理中，可通過PhotoScan數據處理軟件進行數據的處理。就導入的影像數據本身而言，其具有一定的重疊率，通過對這些數碼影像的處理，可重建高質量的正射影像模型。相比于傳統的數據處理過程和結果，基于PhotoScan等信息化處理軟件進行數據處理具有全自動化的特點，從處理過程來看，內業數據信息化處理主要是在基站點坐標的支撐下進行絕對坐標轉換，隨后經過照片對齊、自動像點匹配、不合格點剔除、照片深度匹配等環節的控制，建立了具有較高密集度的點云，最后通過網格生成和紋理生成控制，形成了具有較高精度的正射影像、地形模型和高程模型，這對于后期等高線編輯、地物繪制和地形圖生產創造力有利條件。

2.4 測量數據存儲

開展煤礦地質災害調查的目的為后期礦區災害防護和生態恢復創造有利條件；對此在完成礦區測量及數據處理后，還應重視相關數據的有效存儲和開發利用。結合煤礦地質災害調查數據測量應用實際可知，部分礦區的地質情況變化較為負載，這是其相關的地質信息數據處理動態變化狀態，如形變量數據、位移數據等，對此在數據存儲中，還應做好上一段時間內測量數據信息的有效存儲，以此來為后期數據對比分析提供保證。從數據存儲過程來看，除做好測量數據信息關鍵詞標記外，還需結合相應的時間節點、數據節點進行數據分類，此外應重視相應數據庫的有效建設，滿足數據存儲及后期應用的實際需要。值得注意的是，煤礦地質災害測量數據對于礦區后期生產具有深刻影響，對此在數據存儲階段，還應重視網絡安全管理，確保存儲數據的安全性。

2.5 數據后續的挖掘應用

科學合理地使用礦山地質災害數據，能為礦區后期災害防治提供有效支撐。在存儲數據深層次挖掘中，應重視ArcGIS、PhotoScan等軟件的系統應用，要求在這些數字化處理軟件的支撐下，生成具有較高真實度的三維影像數模型，在此模型上，不僅能準確的觀察煤礦崩塌區、潛在崩塌區的實際情況，而且能實現滑坡區、潛在滑坡區的有效分析，此外還應借助該模型對煤礦泥石流區、地表裂縫、地面塌陷等區域進行有效分析，以此實現礦區地質災害的有效預防。另外深層次挖掘礦區地質災害數據，進行地質災害預防的同時，還應重視這些數據在礦區建設中的應用，如結合前期地質災害數據，對這些數據繼續趨勢分析基層上，可系統化地設計礦區交通圖、功能分區圖，這樣才能形成全新地圖，對于礦區后期生產、地質災害管理和生態保護具有積極作用。

3 無人機遙感測繪技術在礦區地質災害監測中的具體應用

礦區開采時間較久，礦區采空區面積較大，在當前生產中，采空區容易出現陷落、滑坡等地質災害，會嚴重地影響礦區的生產安全與生態環境質量。為方便后續生產，對采空區進行了無人機現場航拍測繪，并通過遙感解譯完成了相應的數據處理。對比之前的人工測量，無人機遙感測繪可以有效地提升礦區的測量效率和質量。

3.1 無人機遙感測繪技術應用

人工測量的數據相對較少，且數據有限。無人機現場航拍測繪工程中，容易得到近千組測量數據，且測量數據的精度、識別度均較高，滿足了礦區地質災害測量的實際需要。從具體測量過程來看，礦區工作人員先規范化的選擇無人機遙感測量系統裝置，確保所選測量裝置的導航設備、飛行平臺，而且涉及地面站、遙控設備、數據接收和傳感器滿足DOM、DEM、DLG和DSM數據獲取需要。測量操作中，按照測量布網、航線確定、航測參數設置、獲取影像數據、數據內業處理、數據存儲、數據挖掘應用的流程進行操作，尤其是實在數據分析處理及挖掘中，深化現代信息技術應用，為礦區地質災害監測和后期規劃處理創造了良好條件。通過無人機遙感測量技術應用，礦區外業測量時間大大縮短，在測量數據精準度方面，5cm以上的裂縫識別率與準確率超過了95%，地物地貌平面位置平均誤差和地表高程誤差保持在3cm以內。

4 基于礦區地質災害監測實際的無人機遙感測繪技術應用建議

新時期，無人機遙感測繪技術在工程項目中的應用逐漸增多，結合礦區地質災害監測實際可知，要進一步提升無人機遙感測繪技術應用水平，還應注重以下要點控制：其一，在航測系統應用中，應做好無人機遙感監測設備的養護管理，盡可能延長設備使用壽命，確保設備使用精準程度。其二，要提升無人機遙感測繪技術應用水平，還需要進行像控電測過程的優化，一方面，應進一步明確監測活動的可控范圍，另一方面，應做好像控點測量的優化處理，從源頭上保證測量的精準程度。其三，基于無人機遙感測繪技術進行區地質災害監測時會獲得大量數據，故而應注重數據庫的有效建設，對所有采集的數據進行統一管理。

5 結束語

基于無人機遙感測量技術開展礦區監測，能準確掌握煤礦地質災害情況，為礦區后期生產管理提供指導。新時期，礦區工作者只有深刻認識到無人機遙感測量的原理和優勢，深化其在礦區地質災害監測中的應用，并結合礦區生產實際，實施監測過程各環節的要點管理，才能有效提升無人機遙感測量技術應用水平，保證礦區地質災害監測效率和精準程度，促進礦區生產管理、地質災害防治和生態治理工作的有序開展。