無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張永龍 武拴軍 劉鵬山

（金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦

目前，金川銅鎳礦區(qū)崩落開(kāi)采深度與面積逐漸增加，上覆圍巖受到嚴(yán)重破壞，礦區(qū)的地表已出現(xiàn)明顯的變形。以往接觸式測(cè)量很難對(duì)大范圍的地表塌陷進(jìn)行全面了解和掌握，更難進(jìn)行礦區(qū)地表塌陷的預(yù)測(cè)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)術(shù)已成功被應(yīng)用于地形圖測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦山執(zhí)法、應(yīng)急救援等領(lǐng)域［1］，極大提高了工作效率，取得了較好的效果。因此，本研究采用D2000型飛馬無(wú)人機(jī)搭載OP3000型鏡頭對(duì)金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷進(jìn)行攝影測(cè)量，為金川銅鎳礦區(qū)安全開(kāi)采提供更及時(shí)、更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作流程

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是借助低空無(wú)人機(jī)航空攝影方法［1］，快速、準(zhǔn)確地獲取地表信息，不僅僅能真實(shí)反映地面特征信息，而且可以通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模技術(shù)，生成真實(shí)的數(shù)字地表模型（DSM）。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)是由無(wú)人機(jī)攝影平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成［2-4］，工作流程分為前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)空三建模、數(shù)據(jù)編輯與加工4個(gè)部分，見(jiàn)圖1。

（1）前期準(zhǔn)備。首先結(jié)合礦區(qū)地形圖、水文地質(zhì)圖等資料進(jìn)行航測(cè)區(qū)踏勘，詳細(xì)掌握塌陷區(qū)內(nèi)山體、建筑物等的最大高度，便于規(guī)劃無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)航線；然后布設(shè)像控點(diǎn)，為后續(xù)地表塌陷區(qū)的數(shù)字表面模型提供控制點(diǎn)信息，用于提高地表塌陷區(qū)的沉降3D模型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的等值線圖的測(cè)繪成果精度，像控點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)GPS靜態(tài)測(cè)量方法測(cè)定。

（2）外業(yè)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)飛行控制軟件對(duì)金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)進(jìn)行航攝，獲取金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的影像信息。按照仿地變高飛行，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量影像地面分辨率直接影響地表塌陷監(jiān)測(cè)精度。

（3）內(nèi)業(yè)空三建模。先利用無(wú)人機(jī)管家和Context Capture軟件進(jìn)行POS數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、自由空三處理、刺像控點(diǎn)，最后生成金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM），可以較直觀、精確地展示出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的基礎(chǔ)信息。

（4）數(shù)據(jù)編輯與加工。在金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM）上，利用EPS三測(cè)圖系統(tǒng)按10 m×10 m提取固定的地表塌陷邊界的高程點(diǎn)，最后，利用Surfer數(shù)值模擬軟件進(jìn)行金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷點(diǎn)垂直位移等值線圖的繪制與沉降3D模型的建立。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 礦區(qū)地表塌陷現(xiàn)狀

塌陷區(qū)域面積約為2.3 km2，地勢(shì)以戈壁灘為主，測(cè)區(qū)環(huán)繞山體，區(qū)域內(nèi)建筑物最大高度為20～55 m，地勢(shì)起伏不平。金川銅鎳礦前期采用充填法采礦，而現(xiàn)采用崩落法回采銅鎳礦石，與充填法相比，銅鎳礦崩落法開(kāi)采對(duì)礦體圍巖的擾動(dòng)更為明顯，尤其是對(duì)上覆圍巖的擾動(dòng)。地表已出現(xiàn)25處明顯的裂縫，經(jīng)GPS測(cè)量技術(shù)定期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地表累計(jì)塌陷最大值已達(dá)570 mm，塌陷區(qū)形變明顯，裂縫環(huán)形分布，局部塌陷的偶然性增大，地表塌陷區(qū)存在安全隱患。

2.2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)方案

先對(duì)金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的航線，布設(shè)3#、5#、9#、11#與15#攝影像控點(diǎn)，利用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)。本次采用D2000型飛馬無(wú)人機(jī)搭載OP3000型鏡頭相機(jī)，規(guī)劃監(jiān)測(cè)航線49條，航測(cè)點(diǎn)149個(gè)，續(xù)航時(shí)間49 min，最大風(fēng)速為12 m/s，仿地相對(duì)高差為150 m，地表塌陷影像分辨率為1.5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。本次監(jiān)測(cè)周期為一周，嚴(yán)格按照變高飛行要求，每周期獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的1 991張影像信息。利用無(wú)人機(jī)管家和Context Capture軟件進(jìn)行POS數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、自由空三處理、刺像控點(diǎn)，先選定CGCS2000坐標(biāo)系，再轉(zhuǎn)換為適合礦區(qū)的地礦坐標(biāo)系，最后生成金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM）（圖2），模型地面分辨率達(dá)到1.5 cm，完全滿足金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)精度要求。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 地表塌陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

將每監(jiān)測(cè)周期的地表數(shù)字表面模型（DSM）導(dǎo)入EPS三維測(cè)圖軟件，確定出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)范圍，經(jīng)過(guò)多次提取塌陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的比對(duì)、沉降3D模型建立試驗(yàn)后［5］，制定按10 m×10 m的網(wǎng)格間距進(jìn)行提取監(jiān)測(cè)高程點(diǎn)（2 051個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），該監(jiān)測(cè)范圍完全覆蓋金川銅鎳礦區(qū)開(kāi)采范圍。每監(jiān)測(cè)周期提取出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DWG格式），再利用CASS軟件導(dǎo)出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出格式為.DAT。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降統(tǒng)計(jì)

依據(jù)每期的金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以第1監(jiān)測(cè)周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)起點(diǎn)，計(jì)算出地表塌陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直沉降量。采用Surfer軟件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出每監(jiān)測(cè)周期的沉降等值線圖（圖3）。可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8-5、6-6與6-7的垂直位移矢量變化最為活躍，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8-5的最大下沉位移量為298.0 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6-7為224.3 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6-6為220.2 mm，礦區(qū)地表塌陷的總體上形成一個(gè)盆地，準(zhǔn)確地反映金川銅鎳礦區(qū)崩落法開(kāi)采引起地表塌陷垂直位移的變化趨勢(shì)。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降3D模型

采用Surfer軟件建立每監(jiān)測(cè)周期的金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降3D模型（圖4），可以看出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的沉降特征明顯，具有顯著的規(guī)律性，形成了以監(jiān)測(cè)點(diǎn)6-6、6-7、5-11、5-12為中心的塌陷范圍，準(zhǔn)確地反映出金川銅鎳礦區(qū)崩落法開(kāi)采引起的地表塌陷每周沉降變化趨勢(shì)。

3.4 地表裂隙

在金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表數(shù)字表面模型（DSM）上，能夠直接查看地表裂隙發(fā)展情況，獲取地表裂隙的坐標(biāo)、長(zhǎng)度、寬度，從而計(jì)算金川銅鎳礦區(qū)地表裂隙分布區(qū)域面積。

4 結(jié)語(yǔ)

本次采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了金川銅鎳礦區(qū)的地表塌陷變化監(jiān)測(cè)，建立了高精度的金川銅鎳礦區(qū)的地表塌陷區(qū)數(shù)字表面模型。該方法與現(xiàn)有的地表監(jiān)測(cè)方法相比，克服了外業(yè)工作量大、人工成本高、施測(cè)效率低及作業(yè)周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)具有高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，完全可以為金川銅鎳礦區(qū)崩落法安全開(kāi)采提供更及時(shí)、更準(zhǔn)確的地表塌陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。