基于無人機(jī)遙感技術(shù)的礦井地面塌陷綜合監(jiān)測

胡華宗

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

及時有效采取地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，對掌握現(xiàn)場一手材料及災(zāi)害損壞程度具有關(guān)鍵作用，是災(zāi)害應(yīng)急處理的基本前提[1]。我國煤炭資源需求量高，資源開發(fā)利用在提升區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，對土壤、農(nóng)作物、植被等生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不可挽回的損失[2]，與此同時，地表也會產(chǎn)生塌陷與崩塌。獲得精準(zhǔn)的開采塌陷盆地數(shù)據(jù)，是分析礦區(qū)地表形變的首要任務(wù)，對塌陷區(qū)域地表建筑的保護(hù)十分重要。

常用的地面塌陷監(jiān)測方法包含三角測量[3]、水準(zhǔn)儀導(dǎo)線測量[4]等，一般在采空區(qū)上方布置觀測站，定期監(jiān)測觀測點(diǎn)明確其三維坐標(biāo)，得到該區(qū)域地表塌陷規(guī)律。但此種監(jiān)測模式存在工作量大、技術(shù)成本高、監(jiān)測點(diǎn)密度低等不足，并且在塌陷監(jiān)測時過于依賴觀測點(diǎn)位置，沒有考慮地面的持續(xù)形變過程，導(dǎo)致地表觀測線參數(shù)計算結(jié)果誤差偏高。

礦區(qū)空間信息是其陸面演變的直接表現(xiàn)形式，伴隨測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)日趨成熟[5]。考慮地下開采優(yōu)化、地面塌陷控制等元素，本文將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于礦井地面塌陷綜合監(jiān)測中。計算無人機(jī)航高、分辨率和重合率，依照實(shí)際情況確立飛行次數(shù)，通過校正高程異常值，得到精準(zhǔn)的地面塌陷區(qū)域遙感影像信息，明確塌陷方位、面積、程度等信息，并在實(shí)際測驗(yàn)中表明了無人機(jī)遙感技術(shù)的可行性，為煤礦工作的順利進(jìn)行發(fā)揮應(yīng)有作用。

1 礦區(qū)地表概況

以某省01號煤礦綜采工作面為例，該地區(qū)處于東南邊緣，地面標(biāo)高為+1 385.04～+1 459.26 m，屬平原區(qū)域，地表指標(biāo)較少，地形開闊。使用走向長臂機(jī)械化開采技術(shù)[6]，頂板控制使用全部垮落法[7]，2019年7月進(jìn)行回采，2020年5月回采結(jié)束。礦區(qū)分為主礦區(qū)、中一礦區(qū)、中二礦區(qū)、南翼礦區(qū)和西翼礦區(qū)。采煤工作面推進(jìn)后，工作面后方會出現(xiàn)采空區(qū)。主采區(qū)和中采區(qū)形成3大采空區(qū)：主采空區(qū)、中采空區(qū)Ⅰ和中采空區(qū)Ⅱ。主采空區(qū)平均地表高程+1 200 m，沉陷區(qū)上覆巖層厚度約700 m。工作面開采18煤，煤礦厚度均值為3.9 m，煤層與地面之間的距離為230 m，煤層平均傾角為2.3°，屬近水平煤層，近地表松散層厚度為40～45 m。

01工作面東側(cè)和02工作面相鄰，西側(cè)與03號工作面相鄰。通過GPS[8]監(jiān)測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地表裂紋呈環(huán)形分布[9]，局部塌陷的概率較大，有一定安全風(fēng)險。

2 礦井地面塌陷綜合監(jiān)測

監(jiān)測區(qū)域擁有一些高壓塔線和居民房，視野開闊，適用于無人機(jī)作業(yè)，因此使用無人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)施礦井地面塌陷監(jiān)測。無人機(jī)遙感系統(tǒng)將無人機(jī)作為操作平臺[10]，搭載數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等遙感設(shè)施記錄數(shù)據(jù)，分析處理遙感數(shù)據(jù)，完成塌陷區(qū)域?qū)崟r管控。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)包含外部空間數(shù)據(jù)收集與內(nèi)部數(shù)據(jù)處理2個子系統(tǒng)[11]，外部空間數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)涵蓋導(dǎo)航設(shè)施、飛行平臺、地面站、遙控設(shè)備、信息接收與傳感器；內(nèi)部數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)涵蓋圖像畸變優(yōu)化、空中三角測量與數(shù)字立體測圖[12-13]。本文采用的飛行平臺為四旋翼航拍無人機(jī)，無人機(jī)核心性能指標(biāo)見表1。

表1 無人機(jī)性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of UAV

按照以上礦區(qū)地質(zhì)概況和塌陷程度，明確因工作面開采引發(fā)的地面沉降范圍，也就是飛行區(qū)域[14]。設(shè)計飛行方案時，按照地形條件與無人機(jī)參數(shù)，從航高、分辨率、重合率、航線、數(shù)據(jù)處理幾個方面完成無人機(jī)遙感下礦井地面塌陷位置綜合監(jiān)測。

按照監(jiān)測區(qū)域地勢條件與無人機(jī)續(xù)航時間，將實(shí)驗(yàn)航飛高度設(shè)置成240 m。航高和分辨率具備一定相關(guān)性，無人機(jī)航空攝影的地面分辨率和航飛高度呈正比例關(guān)聯(lián)[15]，航高越大，地面分辨率越大，成像清晰度越低。將航高和分辨率之間的關(guān)系記作：

(1)

式中，h為航飛高度；f為相機(jī)鏡頭焦距；b為像元尺寸；Gs為地面分辨率。

為貼合無人機(jī)監(jiān)測需求，在飛行相同航線與相鄰航線時，鄰近的像片會產(chǎn)生一定的影像重合，航攝重合度通常為航向的65%和旁向的40%。地面起伏幅度較大要增加重合度[16]，以此保證圖像完整度。重合度越高，監(jiān)測圖像配準(zhǔn)難度越小，準(zhǔn)確率越好。相同交會角下，伴隨影像重合個數(shù)的增多，平面與高程方向的前方交會準(zhǔn)確率持續(xù)升高。

實(shí)際飛行中，設(shè)定拍攝重合度為85%，將全部重合影像實(shí)施前方交會[17]，既能增多重合數(shù)量，還能擴(kuò)大交會角，增強(qiáng)飛行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集可靠性。本文采集區(qū)域影像數(shù)據(jù)應(yīng)用的無人機(jī)質(zhì)量較大，飛行穩(wěn)定性高，將其航向與旁向的重合率均設(shè)定為85%。

在已知航高與重合度前提下，無人機(jī)監(jiān)測航飛共飛行30條航帶，把以上飛行參數(shù)引入無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行模擬試飛，保證飛行時間低于續(xù)航時間。飛行結(jié)束后，對采集到的數(shù)據(jù)實(shí)施建模處理。為消除不相干地物對塌陷數(shù)據(jù)提取的不良影響，在圖像分割及融合時使用邊緣檢測分割法、時間序列融合模型，設(shè)定光譜臨界值、延長線臨界值與緊密臨界值的區(qū)間值依次為[22.5，91.6]、[0.11，1.19]、[0.24，0.27]。

采用無人機(jī)管家與Context Capture平臺計算數(shù)據(jù)完成坐標(biāo)變換[18]，構(gòu)成礦區(qū)地面塌陷區(qū)域地表數(shù)據(jù)集合。為精準(zhǔn)呈現(xiàn)該礦區(qū)塌陷基礎(chǔ)信息，校準(zhǔn)無人機(jī)數(shù)據(jù)異常值，在塌陷區(qū)域地表數(shù)據(jù)集合中隨機(jī)挑選3個地面測量點(diǎn)A1、A2、A3，將其代入01號煤礦工作面地形圖，3個地面測量點(diǎn)的高程異常值：

γ=C-Q

(2)

式中，C為無人機(jī)檢測下3個點(diǎn)相對的大地高度；Q為真實(shí)高度。

按照每個測量點(diǎn)坐標(biāo)的高程異常值，運(yùn)用未知參數(shù)擬合[19]校準(zhǔn)無人機(jī)坐標(biāo)，將校準(zhǔn)過程記作：

γ=d0+d1xi+d2yi+d3xiyi

(3)

式中，d0、d1、d2、d3分別為未知參數(shù)；xi、yi分別為坐標(biāo)點(diǎn)相對的橫縱坐標(biāo)。

ΔQ=Q0-Qr

(4)

式中，Q0為開采前地形圖的高程值；Qr為通過校準(zhǔn)后各平面點(diǎn)的高程值。

3 礦井地面塌陷實(shí)測分析

為驗(yàn)證無人機(jī)遙感技術(shù)在礦井地面塌陷方面的實(shí)用性，依照礦區(qū)預(yù)計盆地和工作面上方布置的觀測線實(shí)測值，對無人機(jī)遙感技術(shù)測量得到的塌陷地面采取驗(yàn)證分析。地下采煤活動的持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致地面產(chǎn)生移動、開裂等情況，應(yīng)力平衡受到嚴(yán)重破壞。參考礦井相關(guān)開采規(guī)程，憑借該煤礦過往觀測站資料，挑選的評估參數(shù)計算地面塌陷變形程度見表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程中，無人機(jī)航空拍攝詳細(xì)飛行過程如下。

(1)步驟1。飛行前，工作人員在飛行區(qū)域待命，布設(shè)像控點(diǎn)，挑選風(fēng)速低、光線好的天氣環(huán)境進(jìn)行試飛，給正式數(shù)據(jù)采集預(yù)熱。

(2)步驟2。利用USB線連接無人機(jī)和手簿，保證手簿能接收無人機(jī)傳輸?shù)臓顟B(tài)數(shù)據(jù)，把電池安置在無人機(jī)荷倉中，連接電源并固定電池。

表2 礦區(qū)地面塌陷評估參數(shù)Tab.2 Evaluation parameters of ground subsidence in mining area

(3)步驟3。按照無人機(jī)飛行當(dāng)前天氣狀況，挑選恰當(dāng)曝光時間，查看相機(jī)感光度、拍照模式等參數(shù)，保證相機(jī)正常使用，打開飛行追蹤器，固定飛機(jī)頂蓋，飛機(jī)機(jī)翼靈活移動。

(4)步驟4。憑借風(fēng)向確定彈射架安設(shè)區(qū)域，讓飛機(jī)逆風(fēng)起飛，搖緊彈射繩并插好安全栓。觀察手簿上的姿態(tài)參數(shù)和飛機(jī)水平狀態(tài)，起飛角度為30°。

(5)步驟5。檢查飛機(jī)左右兩側(cè)機(jī)身黑色邊緣和滑塊孔隙是否小于1.5 mm；飛機(jī)內(nèi)部是否存在明顯異常；飛機(jī)電量是否高于80%和起飛角度水平程度。反復(fù)確定飛機(jī)狀態(tài)與飛行參數(shù)后，拔掉安全閥，無人機(jī)正式開始礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測。

將觀測站均安置于航飛范圍內(nèi)，順著煤層走向布設(shè)一條觀測線，觀測線總體長度是952 m，共設(shè)定17個點(diǎn)，編碼為A1—A17。由于真實(shí)地形較為復(fù)雜，挑選點(diǎn)位時，實(shí)際放樣的點(diǎn)間距在15～35 m，使用水準(zhǔn)導(dǎo)線進(jìn)行觀測，觀測圖像如圖1所示，圖1中包含3個采礦點(diǎn)，僅中間部位的采礦點(diǎn)進(jìn)行回采工作，將其作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

圖1 無人機(jī)采集的礦區(qū)圖像Fig.1 Image of mining area collected by UAV

本文首次實(shí)測時間為2021年3月5日，終止于2021年9月30日，共進(jìn)行7次觀測，其觀測得到的礦井地面塌陷曲線如圖2所示。從各沉降曲線可知，第1次與第2次監(jiān)測時，地面無明顯塌陷情況。當(dāng)開采工作面從切巷向前推進(jìn)900 m左右時，切巷上方的前方地表出現(xiàn)塌陷，A7號產(chǎn)生最大塌陷點(diǎn)，形成一個較淺的碟形盆地。

圖2 礦井地面塌陷曲線示意Fig.2 Schematic diagram of mine ground collapse curve

煤礦開采至2 000 m，也就是第4次無人機(jī)監(jiān)測后，A7號點(diǎn)塌陷值要低于A8號點(diǎn)，此點(diǎn)的下沉產(chǎn)生了反彈升高，從A7號點(diǎn)至A9號點(diǎn)又發(fā)生大幅度塌陷。從圖1中可知，A7號點(diǎn)區(qū)域的土質(zhì)為硬巖層，且該點(diǎn)處在坡頂，致使塌陷發(fā)生反彈升高現(xiàn)象。

第6次監(jiān)測后，最大塌陷點(diǎn)從工作面上方地表轉(zhuǎn)移到A10號點(diǎn)，下降量為2 400 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出A8號點(diǎn)的塌陷值，證明塌陷盆地面積與下沉量在逐步增多。第7次監(jiān)測時，最大塌陷點(diǎn)從工作面上方地表轉(zhuǎn)移到A10號點(diǎn)，下沉量為2 700 mm。第6次與第7次的最大塌陷點(diǎn)均處在同一觀測點(diǎn)，證明工作面在被挖掘至2 400 m后，地表最大塌陷區(qū)域趨于平穩(wěn)，其他區(qū)域發(fā)生塌方的事故概率較少，符合一般塌陷規(guī)律。

開采深度持續(xù)增加，礦井受到?jīng)_擊地壓的威脅愈發(fā)嚴(yán)重，將微地震事件作為產(chǎn)生地面塌陷的指標(biāo)，分析礦井區(qū)域塌陷事故危險性。利用無人機(jī)遙感對礦區(qū)實(shí)施微地震分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)時間為2021年8月1—17日，計算得到的監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，微地震監(jiān)測階段，微地震事件的產(chǎn)生數(shù)量逐漸上升。可以看出，在無人機(jī)遙感監(jiān)測時期，塌陷區(qū)周邊巖體以緩慢位移形變?yōu)橹鳎@和實(shí)地探測結(jié)果相符。

圖3 礦區(qū)地震活動監(jiān)測示意Fig.3 Schematic diagram of seismic activity monitoring in mining area

從上述實(shí)測分析中可知,將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于礦井地面塌陷監(jiān)測中，能有效對災(zāi)害事故發(fā)出預(yù)警，避免產(chǎn)生不必要的生命財產(chǎn)損失，保證高效率的礦區(qū)開采作業(yè)。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)施礦井地面塌陷變化監(jiān)測，實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)遙感技術(shù)有效克服外業(yè)工作量大、監(jiān)測效率低、監(jiān)測周期長等缺點(diǎn)，打破了常規(guī)塌陷監(jiān)測技術(shù)的局限性，成功獲取塌陷部位長度、寬度與具體方位，明確礦區(qū)地面塌陷的動態(tài)變化情況，極大改善了礦區(qū)煤礦采集工作的安全性，為礦區(qū)應(yīng)急防治體系提供科學(xué)依據(jù)。