无人机遥感技术在地下矿山地表塌陷区测量中的应用

无人机遥感技术在地下矿山地表塌陷区测量中的应用

刘治国

身份证号：220282197712130515

摘要：近些年，我国经济发展迅速，矿企为我国经济发展做出了很大贡献。矿产资源开采导致矿区地表频繁发生地质灾害,严重制约了矿山智能化的建设进程,监测并预警地质灾害的发生对于矿区正常生产及防灾部署具有重大意义。当前矿区地质灾害主要依靠传统地面监测手段及InSAR等方法,存在费时费力、周期长及InSAR无法监测大梯度形变等不足,无人机低空遥感作为一种新兴手段,以其独特的优势已经被广泛应用于矿山地质灾害监测中。结合现阶段典型成果及课题组近年来的探索实践,简述了矿山地质灾害的类型,分析了无人机低空遥感矿山地质灾害监测的应用现状,总结了无人机低空遥感在开采沉陷监测、煤火识别及地质灾害监测等方面应用的基本流程,提炼了现阶段无人机遥感实时高精度沉陷盆地构建、水平位移监测及多源时空数据融合等技术发展亟需攻克的技术难点,并从无人机高精度数据采集、多类型载荷协同、5G实时传输及智能灾害监测等方面展望了未来发展方向。未来矿山地质灾害要向“多网融合+实时监测+智能作业+任务协同+全面感知+自主决策”的智能监测预警体系方向发展,需要多学科、多部门学者开展协同攻关,实现“产学研用”联动发展。

关键词：无人机遥感技术；地下矿山；地表塌陷；测量；应用

引言

矿产资源是国家最重要的能源，在普通能耗中，矿产资源的使用率居第一。由于中国的能耗不断增加，必须提高矿产资源开采的管理水平。因此，对矿产资源的储量进行管理已是一个非常关键的问题。在应用计算机之前，矿业主管机关依靠图形绘制、数据计算和数据统计等手段来监控和统计数据。随着信息化水平的提高和相关技术的推广，目前矿场储量的监控大多是通过航拍测量技术实现的。

近几年，无人机技术发展很快，利用无人机与影像技术的结合对现有技术进行了改进。由于无人摄影技术具有灵活性、易于实现等特点，被应用于工业领域。利用无人机摄影技术可以对矿山的储量进行快速、精准、及时的动态监控，从而为相关单位选择采矿技术提供支持，避免了资源的浪费。

1无人机遥感技术的发展现状

无人机是以空气提供升力、机上无人驾驶、可重复使用航空器。无人机遥感是在无人机技术成熟后形成的新型航空遥感系统，无人机遥感的载体是无人机，主要构件是小型高性能遥感传感器，如光电传感器、红外传感器等。20世纪60年代，我国正式生产出低速遥控靶无人机，21世纪后，无人机遥感技术开始快速发展。早期无人机遥感技术主要由空中部分、地面部分、辅助部分构成，空中部分涵盖了遥感传感器、无人机遥感平台、空中遥感控制系统；地面部分涵盖了无人机地面控制子系统、航迹规划子系统、数据接受解压缩系统、实时显示系统、数据预处理系统；辅助部分涵盖了定标系统等，可以满足自动拍摄获取遥感图像、实时生成传输快视图、接收地面数据等要求。当前，无人机遥感技术分辨率更高，且呈现出系统化、定量化特点，如基于卫星中继的无人机遥感、基于北斗的无人机遥感、基于GPRS的无人机遥感，可以满足高速异地实时传输数据、数据自动处理、高空地协同精准监测等要求。

2无人机遥感技术在地下矿山地表塌陷区测量中的应用

2.1建立飞行任务

通过分析测区地形，测区范围的相对高差可达217.7m。需要划分航摄分区，划分原则为：分区范围内地形实际高差应该在摄影航高的六分之一；分区的界限必须与图廓线之间保持一致；当地形高差符合要求规定，且可保证航线为直线的条件下，分区跨度应尽可能加大，从而全国覆盖整体航摄区域；若地面高差发生突变，且存在特殊要求或者是地形特征存在显著差别的情况下，可破图廓划分航摄分区。通过划分，该项目划分的航摄区共有2个，航测作业需进行3次，该项目使用的无人机具有垂直起降的特点，对于起降现场的要求较低，在空旷以及平整的场地便能够实现起降，飞行时需转变飞行模式，即保持固定翼飞行，从而使飞行距离和时间均能得到提升。

此次航摄作业在飞控软件之中将高程数据和Hybrid影像进行了加载，航线规划设计采用自动化形式进行，相对行高为217.7m，航摄基准为600m，旁相重叠度为60%，航向重叠度为80%，完成面积为18km2。最终各航带数据均能够达到后期的精度要求和处理需求。

2.2利用UAV低空遥感数据监测地表水平移动

从采动地表移动过程来看,地表点移动方向分为垂直移动与水平移动。垂直移动被称为下沉;水平移动在传统地表移动观测站中,一般以工作面的走向和倾向主断面观测线进行研究,可分为走向主断面水平移动与倾向主断面水平移动。现阶段,基于无人机低空遥感方法对水平移动的相关研究主要侧重于通过数字正射影像(DOM)来确定水平移动的范围。

通过无人机获取的DOM确定监测点位置,并在DSM中获取监测点的位置来确定水平移动,结果表明:该方法水平位移的精度为1.5-2.0倍的地面采样距离(GroundSamplingDistance,GSD),高程和沉降的精度为2-3倍的GSD。基于无人机获取的高分辨率DOM,利用离群值去除方法自动确定水平移动。何柯璐等[41]针对无人机LiDAR点云数据计算水平移动的问题,开创性地提出利用深度神经网络(DeepNeuralNetworks,DNN)方法,在神榆矿区结合地形特征对BSC(BinaryShapeContext)算子进行改进来提取水平移动,结果表明:该方法在提取采煤沉陷盆地的水平移动方面效果较为理想,为无人机低空遥感获取水平移动提供了技术途径。总体上,当前利用无人机低空遥感技术对采煤引起的地表水平移动的相关研究有待深入,仍需继续探索无人机低空遥感获取地表水平移动的方法。

2.3大比例尺地形图测绘

目前数字线划图采集主要有虚拟立体像对和裸眼采集两种方式，本次采集采用裸眼采集方式，采集软件选择北京清华山维的EPS软件。首先将OSGB格式模型和xml文件导入EPS软件中，生成EPS能够识别的DSM索引文件，然后加载索引文件至软件窗口，并加载数字正射影像。在DSM上采集的地形图成果，可同步到数字正射影像上，方便对成果进行检查。在采集房屋时，对规则的四边形房屋，可以使用EPS软件中的五点房命令；对于等高线的采集，在地物稀疏区域，利用软件自动提取高程点，并基于高程点生成等高线，在植被茂密区域，可采用淹没的方式进行等高线的绘制。对于其它地物的采集，选择对应的图层，并完成地形图的绘制。

2.4应用数字线划图技术

数字线划图技术应用期间，测绘工作需要全数字摄影测量工作站的支持，借助软件转换测量结果格式。在测图工作开展期间，依据数据模型可确保工作方向的精准，能够实施数字线划图作业。人为因素或许会对数据结果造成影响，需确保图像数据的精准度。借助自动交互开展作业设定流程，可实现数字线划图技术精准度，加强对误差的控制。在开展测图之前，工作人员合理定位后，就不同的图片设定、颜色、代码及线形，可针对性处理。测绘人员需要提升自身的专业水平，确保数据精准，加强不利因素处理，确保数据完整。

结语

综上所述，无人机遥感兼具灵活机动、全天候作业、长时间续航的特点。在矿山测绘工程测量中应用无人机遥感技术，不仅可以提高矿山测绘工程测量效率，而且可以提高矿山测绘工程测量精度。

因此，测绘技术人员应根据工程测量任务内容，科学应用无人机遥感技术。根据无人机遥感技术在矿山测绘工程测量中的应用效果，及时反思，及时优化，为无人机遥感技术在矿山测绘工程中的有效应用提供依据。

参考文献

[1]郭龙.低空无人机航测在大比例尺地形测绘中的应用研究[J].当代化工研究,2021(19):185-186.

[2]丁永庆.无人机航测在矿山开采区周边低效用地调查中的应用研究[J].世界有色金属,2021(19):48-49.

[3]兰舜涯.露天矿山测绘中无人机航测的应用研讨[J].中国金属通报,2020(11):161-162.

[4]郭岑怡,朱俊臻,毛云松.无人机航测在矿山地质带状地形图中的精准分析[J].中国金属通报,2020(02):257+259.