遠(yuǎn)—近景攝影測(cè)量在烏山銅鉬礦工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用*

劉 偉 張海濤 王亞強(qiáng) 劉飛躍 楊天鴻 張鵬海

（1.中國(guó)黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

作為影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，巖體中不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)面分布特征直接影響巖體的力學(xué)特性、應(yīng)力分布和破壞模式。一般來(lái)講，在巖體結(jié)構(gòu)面的5級(jí)分類方案中，需要巖體開挖過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的巖體結(jié)構(gòu)面包括：①II 級(jí)與III 級(jí)，含括各種斷層、不整合面、風(fēng)化夾層等，規(guī)模較大，數(shù)量較少，和開挖臨空面相互交切組合，主要制約局部危巖體（關(guān)鍵塊體）的崩落、滑動(dòng)方式；②IV 級(jí)與V 級(jí)，具有一定分布規(guī)律和統(tǒng)計(jì)意義的節(jié)理面、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙等微級(jí)結(jié)構(gòu)面。IV 級(jí)和V 級(jí)數(shù)量大、隨機(jī)展布，作為統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面主要弱化巖體的力學(xué)性質(zhì)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)面采集作了大量的研究工作，歸納起來(lái)，當(dāng)前的采集技術(shù)和方法主要有4 類［2-3］。①測(cè)線法：通過(guò)羅盤皮尺對(duì)結(jié)構(gòu)面露頭進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，得到跡長(zhǎng)與方位等信息，同時(shí)進(jìn)行地質(zhì)素描得到結(jié)構(gòu)充填情況；②鉆孔電視法：通過(guò)定向鉆孔并使用全景相機(jī)獲取巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，該方法獲取結(jié)構(gòu)面信息規(guī)模小，且難以獲取結(jié)構(gòu)面空間展布情況；③攝影測(cè)量法：該方法結(jié)合數(shù)字圖像與攝影測(cè)量技術(shù)在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)工程巖體結(jié)構(gòu)特征，作為一種非接觸測(cè)量方法，攝影測(cè)量方法可以提供具有紋理信息的三維實(shí)體表面模型；④激光掃描法：使用激光掃描獲取巖體表面三維點(diǎn)云，通過(guò)三維成像、影像匹配、模式識(shí)別等手段可以自動(dòng)獲取結(jié)構(gòu)面的幾何信息。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)（UVA）傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察甚至工程驗(yàn)收均有報(bào)道，當(dāng)前無(wú)人機(jī)的精度可以有效地識(shí)別II級(jí)與III 級(jí)結(jié)構(gòu)面，但難以對(duì)IV 級(jí)與V 級(jí)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行精確識(shí)別。為此，本研究以烏山銅鉬礦為例，使用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)景攝影測(cè)量與3GSM 近景攝影測(cè)量相結(jié)合的手段進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，并將結(jié)果集成至SuperMap 的地理信息云平臺(tái)。研究結(jié)果表明，該手段具有快速、精確、安全的優(yōu)點(diǎn)，為非接觸式勘察提供了可行的思路。

1 礦區(qū)概況

烏山銅鉬礦位于內(nèi)蒙古滿洲里市，礦區(qū)面積為9.84 km2，分南北2 個(gè)礦段進(jìn)行露天開采。礦山境界邊坡最大高差約為630 m，整體邊坡角為43°～45°。礦山邊坡臺(tái)階高度為15 m，并段后臺(tái)階高度為30 m。露天開采終了境界圈定的采場(chǎng)尺寸：上口3 640 m×1 330 m，下口1360 m×160 m，封閉圈標(biāo)高為735 m。露天采場(chǎng)目前最低開采水平為675 m，最高開采標(biāo)高為855 m，現(xiàn)露天采坑最大深度為180 m，露天坑北礦段東北部有部分邊坡已靠幫。

隨著礦山開采揭露巖體范圍的不斷擴(kuò)大，礦山不同邊坡區(qū)域節(jié)理構(gòu)造發(fā)育情況有較大差異，部分邊坡區(qū)域構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎，已對(duì)下部安全生產(chǎn)產(chǎn)生了一定影響。如圖1 所示，2016 年4 月份，在北礦段靠幫區(qū)域發(fā)生了一處局部滑坡，初步分析該滑坡體位于強(qiáng)風(fēng)化層至地表間，由于冬季外部含水層滲水結(jié)冰，春季解凍，形成膏狀半流質(zhì)，導(dǎo)致邊坡局部失穩(wěn)。且現(xiàn)階段揭露的采場(chǎng)北礦段東南部邊坡巖體構(gòu)造發(fā)育，巖體較破碎，存在斷層及其破碎帶，一經(jīng)開挖，潛在應(yīng)力釋放快、圍巖易失穩(wěn)，存在引起邊坡巖體局部失穩(wěn)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，上部松散地層、土巖交界面及破碎巖體均會(huì)對(duì)下部露天采剝工作產(chǎn)生較大安全影響。

以上諸多不利因素嚴(yán)重威脅烏山銅鉬礦邊坡的穩(wěn)定，極易誘發(fā)邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害，一旦局部邊坡發(fā)生滑坡，必將阻斷局部運(yùn)輸線路，損害礦山運(yùn)輸和采礦設(shè)備，危及采礦人員的人身和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)危及烏山銅鉬礦的正常生產(chǎn)活動(dòng)，給礦山企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。針對(duì)此問(wèn)題，利用自帶RTK 采集功能的航測(cè)無(wú)人機(jī)，獲取具有位置信息的大批量照片，進(jìn)而使用三維建模軟件生成對(duì)應(yīng)的高密度點(diǎn)云，并以此生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率三維模型?；趦A斜攝影得到的高精度三維模型，建立多層次多尺度空間索引，實(shí)現(xiàn)烏山礦區(qū)大規(guī)模、多尺度的地質(zhì)體、地質(zhì)結(jié)構(gòu)快速動(dòng)態(tài)三維建模和可視化表達(dá)，準(zhǔn)確、直觀地反映礦山邊坡現(xiàn)狀，從而為礦山邊坡穩(wěn)定性判斷提供判據(jù)，提高礦山生產(chǎn)的安全性。

2 遠(yuǎn)—近景相結(jié)合的攝影測(cè)量

2.1 無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)景攝影測(cè)量

本次測(cè)試主要采用大疆M300 RTK 型無(wú)人機(jī)，該飛行器集成DJITM 先進(jìn)的飛控系統(tǒng)、六向雙目視覺(jué)+紅外感知系統(tǒng)和FPV 攝像頭，兼容全向避障雷達(dá)，內(nèi)置DJI AirSense，可檢測(cè)周圍航空器情況，以保障飛行安全。該款無(wú)人機(jī)可適配多款DGC2.0接口的云臺(tái)相機(jī)，多云臺(tái)系統(tǒng)最多同時(shí)支持3 個(gè)獨(dú)立云臺(tái)，可滿足不同領(lǐng)域的使用需求。飛行器內(nèi)置RTK 模塊，可實(shí)現(xiàn)高精度準(zhǔn)確定位。雙電池系統(tǒng)提升飛行安全系數(shù)，空載時(shí)飛行時(shí)間約55 min。

本次航測(cè)使用賽爾PSDK-102S 五鏡頭，單架次即可完成傾斜攝影測(cè)量所需的全部影像。無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)航線配置如圖2所示，飛行高度為400 m，飛行速度為10 m/s，旁向重疊率為70%，航向重疊率為80%，邊距為25 m，共拍攝約6 000張照片。使用賽爾航測(cè)管家將精準(zhǔn)位置信息寫入至每張照片，然后將處理好的照片導(dǎo)入至大疆智圖軟件中進(jìn)行三維建模，使用配置有IntelXeon W3245M 3.2 GHz 的處理器（CPU）與NVIDIA RTX 2080Ti 顯卡（GPU）的小型服務(wù)器，耗時(shí)約12 h獲得烏山銅鉬礦傾斜攝影模型。

從無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的三維模型上，可以清晰地獲取斷層裂隙帶的分布情況。礦區(qū)主要斷層裂隙帶為北東向、北西向和近東向3 組，均表現(xiàn)為成礦后期斷裂，對(duì)礦山巖體起破壞作用。將合成的三維傾斜攝影測(cè)量模型導(dǎo)入EPS軟件中，手動(dòng)描繪出斷層的出露跡線，如圖3所示。同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘獲得礦區(qū)內(nèi)主要斷層裂隙帶的空間位置、產(chǎn)狀、規(guī)模，其中位于滑坡區(qū)域的斷層為北東向的F5斷層。

2.2 3GSM近景攝影測(cè)量

為了獲取IV 級(jí)與V 級(jí)結(jié)構(gòu)面的分布特征，在烏山銅鉬礦使用ShapeMetriX3D 系統(tǒng)對(duì)巖體表面進(jìn)行近景攝影測(cè)量。首先確定調(diào)查區(qū)域，通過(guò)標(biāo)定過(guò)的高像素相機(jī)獲取揭露面左、右視圖（圖4），將左、右視圖導(dǎo)入軟件分析系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)像素點(diǎn)匹配、圖像變形偏差糾正等一系列技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)P1和P2并進(jìn)行三維重構(gòu)，得到三維點(diǎn)P（x，y，z），對(duì)三維模型進(jìn)行合成，并實(shí)現(xiàn)方位、距離真實(shí)化，得到巖體表面的真三維數(shù)字模型，最終建立巖體表面模型。基于重構(gòu)的三維表面，可以對(duì)巖體節(jié)理、結(jié)構(gòu)面進(jìn)行標(biāo)記，如節(jié)理跡長(zhǎng)、間距、斷距等信息，最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)面幾何產(chǎn)狀信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

北礦段南幫局部滑坡的近景攝影測(cè)量結(jié)果如圖5 所示，在攝影測(cè)量的同時(shí)，使用RTK 獲取其坐標(biāo)。該區(qū)域分布2組節(jié)理，對(duì)應(yīng)的節(jié)理線密度為3.39條/m（深色）與2.66條/m（淺色），對(duì)應(yīng)的節(jié)理體密度為6.05條/m3。2 組結(jié)構(gòu)面的方位分別為213°∠68°與130°∠41°。按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）中巖體完整程度的劃分，該區(qū)域巖體的完整程度為“較破碎”，且主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，多為張性裂縫，對(duì)邊坡巖體的穩(wěn)定性有不利影響。此外，北礦段南幫局部邊坡坡面的方位角為347°∠47°，與2組結(jié)構(gòu)面相互切割易形成楔形滑體。總體來(lái)看，烏山銅鉬礦北礦段南幫邊坡區(qū)域構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎，易誘發(fā)邊坡楔體滑坡災(zāi)害。此外，烏山銅鉬礦位于內(nèi)蒙古滿洲里市，受北方季節(jié)變化影響，張性結(jié)構(gòu)面開度較大，凍融影響下極易誘發(fā)邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害。

2.3 數(shù)據(jù)集成與顯示

將上述工程地質(zhì)勘察結(jié)果集成至云平臺(tái)SuperMap 地理信息系統(tǒng)，SuperMap 軟件具備二、三維一體化的數(shù)據(jù)管理、處理、制圖、分析、標(biāo)繪等功能，支持在線地圖服務(wù)訪問(wèn)及云端資源系統(tǒng)共享，可用于空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、分析和行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)快速定制開發(fā)。該軟件的大規(guī)模數(shù)據(jù)快速加載與顯示功能特別適合于礦山精細(xì)化三維地質(zhì)模型的云端顯示。

將礦山虛擬仿真場(chǎng)景文件上傳至阿里云服務(wù)器，文件包括場(chǎng)景涉及的所有網(wǎng)頁(yè)代碼、圖片、數(shù)據(jù)庫(kù)、地形數(shù)據(jù)。因?yàn)樵贫嗽L問(wèn)模塊采用的是B/S 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需前端與后端協(xié)同實(shí)現(xiàn)，其中后端采用php 語(yǔ)言進(jìn)行架構(gòu)編輯［4-5］。

集成的云平臺(tái)如圖6所示，從網(wǎng)頁(yè)即可獲取數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，包括數(shù)據(jù)查詢、圖表生成、三維模型顯示及交互控制、礦山地質(zhì)測(cè)量等功能，并行支持上層Web 端應(yīng)用軟件的服務(wù)調(diào)用。可以實(shí)現(xiàn)礦山實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸與可視化查詢，三維地理信息系統(tǒng)訪問(wèn)，邊坡穩(wěn)定性分析與報(bào)警信息發(fā)布。

4 結(jié)論

（1）使用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)景攝影與ShapeMetriX3D 近景攝影相結(jié)合的近—遠(yuǎn)景攝影測(cè)量方法，一方面無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在礦山測(cè)量過(guò)程中可以有效地識(shí)別II 級(jí)與III 級(jí)結(jié)構(gòu)面，建立三維表面地質(zhì)模型并識(shí)別區(qū)域內(nèi)主要斷層信息；另一方面，使用ShapeMetriX3D近景攝影技術(shù)對(duì)巖體表面進(jìn)行抵近測(cè)量，對(duì)巖體的IV 級(jí)與V 級(jí)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行準(zhǔn)確拾取。二者從不同尺度上高效精確地獲取巖體表面結(jié)構(gòu)信息，在礦山實(shí)景測(cè)量中具有一定的推廣意義。

（2）使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取烏山銅鉬礦表面三維地質(zhì)模型，進(jìn)而識(shí)別區(qū)域內(nèi)主要斷層信息，結(jié)果表明，北礦段南幫歷史滑坡區(qū)域內(nèi)存在北東向的F4 斷層，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有不利影響。使用ShapeMetriX3D近景攝影測(cè)量對(duì)烏山銅鉬礦北礦段南幫歷史滑坡區(qū)域進(jìn)行抵近測(cè)試，該區(qū)域分布兩組結(jié)構(gòu)面，節(jié)理體密度為6.05條/m3，相互切割易形成楔形滑體。該區(qū)域巖體節(jié)理較為發(fā)育，且張性結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，屬于破碎巖體。