基于無人機攝影測量的DSM在礦山地災治理的應用

傅貴林

（晉能控股煤業集團永定莊煤業有限責任公司 山西 大同 037000）

0 引言

大同礦區為侏羅系、石炭系兩系煤炭資源開采礦區，開采時間久，面積廣，層位多。現階段侏羅系資源枯竭，下組石炭系3-5#層埋深大，上覆采空區層數多，導致地表裂縫發育強，因采掘影響產生的地質災害頻發，對井下安全采掘作業及地表生態產生不同影響。永煤公司現采3-5#層盤區上覆有侏羅系 8#、9#、11#、14#層及石炭系與山西組4#層共計五層采空區。地表裂縫等地質災害是導致采空區充水，井下采掘巷道漏風的主要原因，由于地表溝谷發育，排查難度大，精度低；進行大規模專項排查又耗費人力物力，且人員安全得不到保障。

采用無人機攝影測量技術，生成地表DEM 模型后，將無人機航拍的裂縫等繪制在相關三維正攝影像圖紙，同時可以立體直觀的分析地形因素，對后期地災治理提供技術依據[1]。既提高了地表排查的效率，又可以對人力無法涉及的危險區域進行精確排查。同時提高我公司地災治理能力，節省人力物力。本文以晉控煤業永定莊煤業公司石炭系3-5#層北盤區8106 工作面對應地表觀測，研究了無人機攝影測量的DSM在礦山地災治理的應用。

1 測區概況

本文研究航測區域為晉控煤業永定莊煤業公司石炭系3-5#層北盤區對應地表，地面地形已丘陵溝谷為主，由于受地下采煤采動影響，地表裂隙發育，地質災害頻發。采用無人機航測結合內業DSM模型，對地表產生的裂隙、塌陷，以及溝谷匯水區域進行分析，為礦山治理相關災害提供技術依據。

2 無人機攝影測量及DSM生成與應用

2.1 設備采用

本次航測任務采用大疆精靈Phantom 4 RTK，該機型是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統。其集成全新RTK 模塊，擁有強大的抗磁干擾能力與精準定位能力，提供實時厘米級定位數據，顯著提升圖像元數據的絕對精度。支持PPK 后處理。

2.2 無人機攝影設備及相關測量精度參數

本次航測使用的大疆精靈Phantom 4 RTK 配備1英寸2 000 萬像素CMOS 傳感器捕捉高清影像。機械快門支持高速飛行拍攝，消除果凍效應，有效避免建圖精度降低。其在100 m 飛行高度中的地面采樣距離(GSD)可達 27.4 mm。

本次無人機航測時在地表溝谷等高差較大區域平面精度達到50 mm，RTK 水平定位精度 10 mm+1 ppm，RTK垂直定位精度 15 mm+1 ppm。

2.3 技術規范[2]

無人機航測要求在天氣晴朗、低空（1 000 m 以下），無云霧時執飛。風速8 m/s 以下，能見度大于5 km，太陽高度角大于45°。地面分辨率要求0.1 m～0.2 m，旁向重疊不低于50%。

2.4 攝影測量建立DSM模型過程（外業及內業處理）

2.4.1 外業部分

航測面積1.156 km2，航高100 m，航線重疊75%，旁向重疊65%，需6 個步驟，規劃航測飛行區域（8102工作面、8106工作）。[3][4]

（1）啟動

啟動飛行器和遙控器，確保飛行器4G網絡正常連接。

（2）打開網絡RTK

打開RTK 模塊，選擇“網絡RTK”，確保飛行器進入RTK定位狀態。

（3）選定區域

點擊“攝影測量”，屏幕將顯示飛行器當前位置的地圖，選定并調整測繪區域。

自2009年開始，財政部、水利部在繼續組織開展面上小型農田水利建設的同時，決定啟動小型農田水利重點縣建設工作，年投入超過50億元。全國各地以小農水重點縣建設為平臺，開展高標準農田水利工程建設。調研發現，由于地域差異，各地區高標準農田水利基本建設發展狀況參差不齊，既有共性的問題，也有典型的值得相互借鑒的成功經驗。

（4）設置飛行參數

調整高度、速度、重疊率、邊距。

（5）設置云臺相機參數

調整照片比例，根據當前環境光線調整白平衡；設置云臺角度，默認-90°為正射影像拍攝。

（6）確定執行

保存設置后，閱讀注意事項并點擊“確定”，右滑開始作業滑塊。

2.4.2 內業部分（P4D等內業軟件）

（1）整理外業8106 工作面航攝照片，本次外業共采集403張照片，建立新項目名稱“8106工作面”。

（2）本次項目內業采用P4DMapper 進行空三數據質量檢測。

（3）調整內業參數進行跑圖，對含有CGCS2000坐標系統及參數信息的照片進行處理，生成DSM 以及8106 工作面的正攝影像，將TIFF 格式的文件導出至PhontoShop 軟件中更改數據大小，便于現場直觀對比地形。8106工作面航片拼接生成的正射影像見圖1。

圖1 8106工作面拼接航片（正攝影像，治理前）

（4）將8106 工作面采掘區域與DSM 模型進行對比，便于直觀分析地表裂縫、塌陷以及溝谷匯水區域的判別。由Pix4D軟件生成的8106工作面DSM見圖2。

圖2 8106工作面地表三維模型

（5）整理8106工作面空三報告，對比數據精準，結合現場8106 工作面地表地貌情況，確定地災區域，制定治理方案，見圖3、圖4。依據空三檢測報告，本次航測滿足相關技術要求，取得航片及正射影像滿足測量精度。

圖3 8106工作面地表裂縫（治理前）

圖4 8106工作面地表裂縫（治理后）

3 結論

（1）對比航測所得DSM 文件，發現地表獲取的地形起伏較原有平面紙質圖紙立體感更強，更直觀地反映出8102工作面及8106工作面地表地貌地形，切對于寬度在100 mm以上的裂縫可以較為清晰的體現。

（2）通過航拍獲取的數字影像可以將地表實況，尤其是在地災治理前期較為準確的計算工程量,治理后也可更加便捷地進行復查與檢驗。

（3）相較以往采用大量人力現場排查，其安全成本及人力物力成本更低，且在后續改進過程，期望達到小范圍作業場所全程無人機航拍作業加內業處理實現地表地質災害普查。