基于無人機傾斜攝影的礦山開采沉陷監測研究

翟 棟，張 萍

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714025； 2.中國工商銀行 渭南分行，陜西 渭南 714000)

傳統的礦山開采沉陷監測工作需要事先在采空區上訪設置觀測站，根據觀測區域的三維坐標數據計算觀測點與觀測線的變化情況，所采用的測量技術有GPS測量、水準儀導線測量、三角測量等，雖然在精準度方面都有充分保障，但也存在監測范圍局限、監測點難以保護、監測點密度低、工作成本高以及監測工作量大等方面的問題。近些年，有研究機構開始將三維激光掃描技術應用于礦山開采沉陷監測工作，蔡旭等[1-3]通過MATLAB分享出三維激光掃描地面點與點云、去噪點、非地面點拼接的方法來處理掃描數據，分析礦區地表深陷特征，精度水平可以達到毫米級。然而，三維激光掃描儀器市場售價十分高昂，并且后期維修成本高且不便利，難以廣泛投入應用。因此，本次研究決定通過無人機傾斜攝影技術對礦山開采沉陷狀況進行測量，該技術所采用的硬件設備主要為民用消費級無人機，價格便宜且易于維護。李娟[4]將無人機技術應用于礦山測量工作，發現該技術在空間特征識別方面具有較強優勢。在巖體性質分析與斜坡形狀變化工作方面，有人將無人機低空攝影測量系統和手持式掃描設備、地面激光掃描技術、遙感測量技術結合起來，再加上數據的補充與集成處理，在關鍵位置實施高精度、高密集離散點測量，進而建立起針對邊坡位置的風險管理和安全監測數據庫。可見，無人機傾斜攝影技術在地質監測工作方面具有一定的應用優勢，可將其應用于礦山開采沉陷監測工作[5]。

1 無人機傾斜測量技術

1.1 傾斜攝影

傳統的垂直攝影技術指的是以垂直俯視角度獲取被測對象的圖片影像資料，由于以往的無人機設備只能搭載1枚攝像頭，因此必須采用垂直視角才能最大限度上完整覆蓋被測目標，同時也存在多角度缺失的局限性。而隨著無人機技術的不斷發展以及攝像頭模塊價格的下探，當前民用消費級無人機已經可以安裝5個攝像頭，可同時獲取5張不同角度的圖像信息，可以通過慣性導航系統獲取高精度的飛行姿態信息和曝光點位置信息，利用點云去噪、多角度影像聯合平差、影像相同點匹配以及影像畸變差改正等一系統復雜處理，能夠獲取較為理想的地物權屬屬性數據[6-8]。

應用于傾斜攝影測量的無人機設備通常安裝有5臺攝像頭模塊，于東、西、南、北、中一個方位平均分布，能夠拍攝傾斜角度在3°以上的傾斜圖像，以便于對目標和地物的差別，提高區域整體建模質量，傾斜攝影測量如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量Fig.1 Tilt photogrammetry

1.2 控制點的布設

此次研究基于區域網平差理論在測區布設控制點，各區域網平差均勻分散于洪山區周邊，并且將控制點分布在周圍環境空曠、信號強的位置，為獲取GPS數據創造便利條件，避開通信線路、電視塔、大片水域，防止受到電磁干擾，針對高程點和平面點實施聯測，進而實現平高點測量。

1.3 控制點的聯測

搜集測區現有的地形圖資料以及大地坐標等測量成果建立初級成圖坐標系統，在此基礎上利用GPS、全站儀、水準儀等儀器實施基礎控制測量，最終獲得與初級成圖坐標系統相對應的像控點坐標，以實現測區附近已知控制點的聯測。

1.4 特征點的提取

此次研究通過SIFT特征點提取算法探查整幅影像的離散型特點，該算法下的特征點提取方案幾乎不受無人機拍攝角度和相片尺寸的影響，對于噪聲、光線的容忍度相對較高，只需要使用3～5個SIFT算子即可獲取連接點的方向與坐標，尤其是在現代計算機硬件快速發展的大背景下，該算法下的分辨速率可以達到毫秒級，適用于無人機攝影的數據處理[9-15]。

1.5 傾斜影像區域網平差

此次研究通過無約束定向方式實現傾斜影像區域網平差處理，為傾斜攝影圖像的每一個像素分配一個單獨的外方位元素，同一相機拍攝的影像使用相同的內方位元素，該定向方式的基本方程如下：

x-x0n=

(1)

y-y0n=

(2)

1.6 數據處理

研究通過Smart3D數據處理平臺對無人機圖像數據進行處理，該平臺由ContextCapture Settings軟件管理、Acute3D Viewer可視化模塊、ContextCapture Center Engine引擎端、ContextCapture Center Master主控臺等4個部分組成。

ContextCapture Center Master主控臺負責數據處理結果可視化、設置處理過程、定義原始輸入數據；ContextCapture Center Engine引擎端位于系統后臺，無需用戶操作。該平臺采用主從模式，能夠在計算機上運行多個引擎端并支持網格并行計算，數據處理時間大幅下降。輕量可視化模塊Acute3D Viewer負責對主控臺工作流的生產質量實施控制，為用戶提供與場面建筑模型相關的體積、面積、距離等數據信息[16-22]。

2 無人機攝影測量系統結構

2.1 無人機攝影測量系統軟件架構

無人機攝影測量系統由應用層、服務層、傳輸層和感知層4個部分組成，具體結構如圖2所示。

圖2 無人機攝影測量系統軟件結構Fig.2 Software structure of UAV photogrammetry system

2.2 無人機攝影測量系統網絡拓撲結構

無人機攝影測量系統各部門之間的通信信道由無線通信和有線通信兩部分組成，無人機4G通信模塊將所采集到的數據上傳至4G基站，再由4G基站通過地面專線將無人機數據上傳至現場指揮中心。無人機攝影測量系統網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 無人機攝影測量系統網絡拓撲結構Fig.3 Network topology structure of UAV photogrammetry system

3 無人機攝影測量系統的可行性分析

為驗證無人機攝影測量系統在實際應用中的可行性，以山西省中部地區的某一試驗礦區的工作面為對象進行實地測量，該工作面傾向長240 m，走向長1 207.08 m，底板標高為+460.1～+563.6 m，地面標高為+1 066.5～+1 130.1 m。通過既定的測量方案對該工作面煤礦開采區的深陷狀況進行測量，將所得到的實測下沉值與預測下沉值進行對比，所得到的對比結果見表1。

表1 工作面地表實測值與預測值對比Tab.1 Comparison of measured and predicted values on working face

根據表1可知，所設計的無人機攝影測量方案能夠基本將實測下沉值與預測下沉值維持在150 mm以內，能夠較為準確地反映出工作面的下沉情況。其中，A1、A2、A12三個觀測點的差值相對較大，出現該現象的原因主要在于這3個觀測點分布于工作面邊緣，但對于整體數據的準確性并無嚴重影響。

4 煤礦開采深陷監測

4.1 工程狀況概述

研究所選定的沉陷監測實驗區為壽陽境內新元礦9103工作面，該工作面位于黃土覆蓋層的丘陵地區，整體呈現西南低、北東高的單斜構造形態，蓋山厚度499.4～634.0 m，煤層傾角一般為2°～8°。所采為煤層為9號，位于一水平9號煤一采區9103工作面，地面標高+1 066.5～+1 130.1 m，底板標高+460.1～+563.6 m；煤層總厚1.40～4.60 m，平均厚3.40 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角3°，埋深510.5～647.6 m。

工作面影像截圖如圖4所示，圖中框選區域即為無人機飛行區域。

圖4 新元礦9103工作面影像Fig.4 Image of 9103 working face of Xinyuan Mine

4.2 外業數據獲取及處理

(1)外業航拍數據介紹。本次研究于山西省壽陽縣新元煤業9103工作面外擴100 m區域進行影像航拍實驗，于2020年9月28日進行第1次拍攝，于2020年9月29日進行第2次拍攝。其中第1次拍攝共獲取垂直影像263張，傾斜影像1 052張。航拍相對高度150 m，外業采集pos數據和控制點18個，旁向重疊度75%、航向重疊度80%。控制點布設如圖5所示。

圖5 第1次/第2次航帶飛行及控制點布設Fig.5 The first/second flight with flight and control point layout

(2)傾斜影像內業處理。研究通過Smart3D ContextCapture軟件對無人機所采集到的數據進行處理，在兩期外業垂直及傾斜影像數據資料的基礎上，結合外業像控點和相機參數，通過空中三角測量技術對各個圖片的外方位元素進行高精度解算，經過密集匹配后輸出密集同名像點，經過密集匹配后輸出密集同名像點，平差后再進行匹配，通過不斷的重復操作來滿足精度要求，最終輸出高精度點云。

由于外業初始圖像存在大量的非地面點和噪點，因此通過3D Resaper對點云進行處理，重點處理由高壓線塔和植被所生成的干擾，最終輸出高精度點云，輸出結果如圖6所示。

圖6 基于3D Resaper的點云處理Fig.6 Point cloud processing based on 3D Resaper

在此基礎上，將第三方GIS數據導入Smart3D ContextCapture軟件并輸出DEM，兩期輸出結果如圖7所示。在此基礎上，計算兩期DEM的減值，最終輸出如圖8所示的礦區下沉盆地形成差值圖。

圖7 第1次/第2次航飛DEM渲染圖Fig.7 DEM rendering of the first/second flight

圖8 兩期DEM差值圖Fig.8 DEM difference between two periods

5 結語

將民用消費級無人機應用于礦山開采深陷狀況監測工作可以在精確獲取礦山深陷圖像數據的同時降低數據采集成本，通過Smart3D ContextCapture軟件對無人機所采集到的數據進行處理是一種充分發揮外業像控點和相機參數數據價值的一項重要手段。在以上兩項技術的實際應用中，還需要通過3D Resaper對點云進行處理，去除外業初始圖像存在大量的非地面點和噪點，使Smart3D ContextCapture所輸出的DEM渲染結果更加精確，最終通過兩期測繪圖像DEM相減的方式獲取DEM差值圖，工作人員通過該圖可以直觀地了解礦區開采深陷狀況。