無人機遙感技術在關閉礦井地質(zhì)普查中的應用

摘" 要：該文針對我國關閉礦井逐年增多的現(xiàn)狀，以及礦山生態(tài)修復的迫切需要，以山西省關閉煤礦地質(zhì)普查為例，介紹無人機遙感技術的實施方法，闡述遙感圖像數(shù)據(jù)處理流程，分析不同地質(zhì)災害體的圖像解譯和驗證方法。該方法精度高、速度快和成本低，建議在關閉礦井地質(zhì)普查中進一步推廣。

關鍵詞：關閉礦井；地質(zhì)普查；無人機遙感技術；地質(zhì)災害體；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P237" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0151-05

Abstract： In view of the increasing number of closed mines in China and the urgent need for mine ecological restoration， taking the geological survey of closed coal mines in Shanxi Province as an example， this paper introduces the implementation method of UAV remote sensing technology and expounds the remote sensing image data processing flow. The image interpretation and verification methods of different geological disaster bodies are analyzed. This method has The advantages of high precision， high speed and low cost， so it is suggested to be further popularized in the geological survey of closed mines.

Keywords： mine closure; geological survey; UAV remote sensing technology; geological disaster body; data processing

關閉礦井是指在當時社會政策和技術條件下停止開采的礦井[1]，包括煤礦、金屬礦和非金屬礦等。主要有以下成因：礦山資源將近枯竭、不符合安全生產(chǎn)要求、開采技術落后、產(chǎn)能效率低、地質(zhì)條件復雜、安全事故頻發(fā)、環(huán)境污染嚴重、非法開采和經(jīng)濟效益差[2]。我國從2005年開始陸續(xù)對小、散和亂的礦井進行整頓關停及資源整合。2016年之后，國家陸續(xù)出臺去產(chǎn)能政策，到2020年我國關閉礦井達到1.2萬處，預計到2030年將達到1.5萬處[3]。

關閉礦井剩余資源豐富，主要包括地面建筑、生產(chǎn)設備、地下采空區(qū)、巷道、煤層氣、煤下鋁[4]、殘留煤、地下水、矸石場和工業(yè)廣場[5]。然而受過去粗放的經(jīng)濟環(huán)境影響和技術條件的制約，多數(shù)關閉礦井被直接關閉或廢棄，資源再利用率低，造成關閉礦井剩余資源的浪費[6]。與此同時，采礦活動造成的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面開裂和水污染等地質(zhì)災害，對礦區(qū)周邊造成直接的安全威脅[7]。近年來，國家從戰(zhàn)略、生態(tài)建設、能源和物資儲備等方面考慮，開始重視關閉礦井剩余資源的開發(fā)、利用及生態(tài)修復[8]。本文就關閉礦井地質(zhì)環(huán)境普查中應用到的無人機遙感技術和不同災害體的圖像解譯進行詳細的闡述，為后續(xù)關閉礦井生態(tài)修復提供參考。

1" 山西省關閉礦井地質(zhì)環(huán)境概況

作為礦產(chǎn)大省的山西，已探明資源儲量的有煤炭、鋁土、銅、鐵、金、石膏、石灰、芒硝和鎂鹽等61種，其中煤礦在1997年達到1萬多座。在開采資源的同時，不斷破壞礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，造成的地質(zhì)災害點數(shù)量大、種類全及分布廣[9]。礦山大多分布于荒山野嶺，地質(zhì)條件較為復雜。礦產(chǎn)開采伴隨的大量廢料堆積，改變了地表的密實度，以及采空區(qū)帶來的山體結構形變，極易引發(fā)地質(zhì)災害。有些地區(qū)氣候惡劣，經(jīng)常發(fā)生強降雨，水文地質(zhì)災害發(fā)生幾率更大[10]。到2020年，年產(chǎn)能低于90萬t的煤礦逐漸關閉，山西省關閉煤礦達到138座，主要分布在大同、朔州、忻州、太原、陽泉、長治、臨汾和晉城幾個地區(qū)，且大同、忻州和臨汾占多數(shù)[11]。

據(jù)統(tǒng)計，以上幾個地區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育特征和分布有所差異，其中崩塌體主要分布于太原和忻州；滑坡主要分布于太原和臨汾；泥石流主要分布于太原，地裂縫主要分布于太原和大同，不穩(wěn)定斜坡主要分布于太原和忻州，危巖體主要分布于晉城，地表沉降主要分布于太原，如圖1所示。崩塌、滑坡和不穩(wěn)定斜坡以土質(zhì)為主，主要分布于山區(qū)和公路切坡段，多發(fā)于陡峻斜坡上；泥石流以溝谷型為主，氣候條件和植被覆蓋是主要誘因；地裂縫主要分布于采煤區(qū)及周邊沉降區(qū)；地表沉降與地下水的過渡開發(fā)有直接關系[12]。無人機攝影對關閉礦井地質(zhì)環(huán)境的采集點包括植被分布、滑坡、崩塌體、泥石流、不穩(wěn)定斜坡、地裂縫和地表塌陷等地質(zhì)災害體。

2" 無人機遙感技術

無人機（Unmarnned Aerial Vehicle，UAV）遙感基于固定翼、多旋翼飛行平臺，搭載可見光、多光譜、高光譜、熱紅外和機載激光雷達等傳感器，實現(xiàn)對指定范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境和建筑物等進行大比例尺高分辨率的調(diào)查和監(jiān)測[13]。相較于遙感衛(wèi)星，無人機遙感具有分辨率高、機動靈活、效率高、成本低、受天氣條件和空域管制影響較小等顯著優(yōu)勢，特別是在礦區(qū)生態(tài)修復工程中涉及的三維傾斜攝影、地質(zhì)災害調(diào)查和煤火區(qū)調(diào)查等中具有明顯優(yōu)勢[14]。

無人機體積小、重量輕，不宜搭載專業(yè)的量測型相機，多為非量測相機[15]。其本身存在著鏡頭畸變差較大、內(nèi)方位元素不穩(wěn)定等缺陷。致使其航攝影像基線短、像幅小和畸變大，往往需要野外布設大量的地面控制點進行空三加密，極大地制約了無人機技術在大比例制圖中的生產(chǎn)效率。因此，在使用航空攝影進行地形測繪時，經(jīng)常會與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）差分定位[16]及慣性導航等現(xiàn)代通信技術進行結合應用，使無人機遙感技術在國防建設、鐵路交通事業(yè)[17]和觀測作業(yè)等方面具有更大的應用優(yōu)勢。

2.1" 數(shù)據(jù)獲取

本次采用的是固定雙翼輕型無人機搭載SWDC（Si Wei Digital Camera）型國產(chǎn)數(shù)字航攝儀對項目區(qū)進行1∶10 000至1∶12 000拍攝。地面分辨率約0.15 m，旁向覆蓋項目區(qū)外50%像幅，航向覆蓋項目區(qū)外2條航線。

無人機遙感技術總體流程如圖2所示。最終利用高分辨率遙感圖像數(shù)據(jù)一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid獲取數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字柵格地圖（Digital Raster Graphic，DRG）和數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）等多種成果。

2.2" 數(shù)據(jù)處理

遙感圖像數(shù)據(jù)處理可分為圖像增強、圖像幾何校正、圖像融合和圖像鑲嵌幾個部分，使得處理后的圖像更加接近目標物的真實情況，滿足用戶的需求。

2.2.1" 圖像增強

圖像增強是采用一系列技術方法將低品質(zhì)圖像轉換成一種更適合人眼或機器進行識別的高品質(zhì)圖像。將遙感圖像中感興趣的地物特征信息突顯出來，改善了圖像的視覺效果。圖像增強的方法主要有空間域法和頻率域法?？臻g域法主要分為線性拉伸、分段線性拉伸、直方圖均衡、平滑和銳化等。頻率域法主要分為低通濾波、高通濾波、帶通（帶阻）濾波和同態(tài)濾波等[18]。

本文采用分段線性拉伸的方法，將被增強的數(shù)據(jù)段灰度值控制在0～254的等級，既能增強圖像的可視效果又不會給圖像信息造成大的損失，再采用彩色變換方法達到模擬真彩色的效果。

2.2.2" 圖像幾何校正

無人機搭載的相機成像方式、傳感器方位元素發(fā)生變化、地球自轉、大氣折光、地球曲率和地形起伏等因素都可能引起遙感影像中的每個像元在地圖投影坐標系統(tǒng)中的位置不一致。遙感圖像的幾何校正消除了原始圖像的變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影的新圖像。其原理是借助已校正的原始數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)的一組同名點，找到原始數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)空間之間的對應關系，從而把原始數(shù)據(jù)空間中全部元素變換到目標數(shù)據(jù)空間中去，改正原始圖像的幾何變形。

高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)進行過系統(tǒng)性校正，消除了由傳感器內(nèi)部畸變等原因引起的遙感圖像幾何變形。因此，本次使用已經(jīng)校正的高精度正射影像地圖為基準圖件對未校正的影像進行校正，包含像素坐標變換和像素灰度值重采樣2個過程。通過校正變換函數(shù)建立了輸入圖像和輸出圖像間的坐標變換關系。采用三次卷積法對像素灰度值進行重采樣，實踐表明，此方法內(nèi)插精度最高，信息量損失最少。

2.2.3" 圖像融合

遙感圖像的融合是指將低分辨率的多光譜影像與高分辨率的單波段影像重采樣生成一副高分辨率多光譜影像的遙感圖像處理技術，其目的是將單一傳感器的多波段信息或不同類傳感器所提供的信息加以綜合。圖像融合技術能消除多個傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，降低了不確定性、減少了模糊度及增強了信息透明度。因此遙感影像的解譯精度、可靠性及解像力都能得到改善。

2.2.4" 圖像鑲嵌

遙感圖像鑲嵌是將2幅或多幅遙感數(shù)字影像拼在一起，獲得一幅整體圖像的技術過程。其方法是在相鄰圖像重疊區(qū)內(nèi)選擇同名點作為鑲嵌控制點，兩景同名地物嚴格對準，擬合誤差約1個像元。鑲嵌圖像間需進行亮度匹配，以降低灰度差異。鑲嵌拼接線的選擇無論是采用交互法還是自動選擇，均須是一條折線或曲線，在拼接點兩旁選用加權平均值方法進行灰度圓滑，做到相鄰圖像無縫拼接及色彩、色調(diào)自然過渡。鑲嵌處理一般應選擇幾何畸變小、圖像質(zhì)量高、無噪聲、無云層覆蓋和獲取時間相同或相近的圖像。

對滿足接邊精度要求的校正單元進行鑲嵌時，如果相鄰兩幅遙感影像時相或質(zhì)量相差不大時，則保持影像紋理、色彩自然過渡。反之，時相差距較大、地物特征差異明顯時，應保持各自的紋理和色彩，但同一地塊內(nèi)光譜特征須保持一致。對于存在著相鄰影像交迭區(qū)中的農(nóng)田、植被和水體等地物區(qū)域有明顯的假邊緣及云層覆蓋處數(shù)據(jù)不連續(xù)現(xiàn)象，采用等概率變換對各景影像數(shù)據(jù)做灰度一致化處理，能有效抑制影像接縫中灰度的假邊緣的出現(xiàn)。

2.3" 數(shù)據(jù)解譯

不同地質(zhì)災害體所處的地質(zhì)環(huán)境具有明顯的地貌特征。因此，可根據(jù)航拍影像獲取的災害體宏觀和微觀地貌特征進行種類判別。本次遙感解譯以山西某關閉煤礦周邊的地質(zhì)災害體為例。

2.3.1" 滑坡遙感解譯

滑坡的形成與周圍自然環(huán)境和人類工程活動有關。發(fā)育地層巖性分為基巖（脆性巖、軟弱巖）和第四系沉積物，巖層的破壞程度和風化程度直接決定滑坡的形態(tài)和規(guī)模。根據(jù)遙感圖像可分析出滑體形狀及滑體長度、寬度、面積和植被覆蓋情況，如圖3所示。通過地形和細部紋理特征，可以確定滑坡體的不同部位及其內(nèi)小滑體?；碌闹骰较虼怪庇诘雀呔€，指向低一級等高線方向，結合滑坡體與公路及其他設施的關系，進而分析出滑坡的方向、規(guī)模和破壞性。

然而一些高位高速滑坡也具有崩塌性質(zhì)，到坡腳處可能又轉化為泥石流，變形性質(zhì)隨著時間的推移在演變。當滑坡被后期堆積物所覆蓋時，將使滑坡形態(tài)更趨于復雜化。因此，應結合地貌、巖性、新構造運動和水文地質(zhì)條件等綜合分析。

2.3.2" 崩塌遙感解譯

造成崩塌的原因包括自然形成和人類工程活動。從遙感圖像上分析，崩塌體與周圍巖土顏色差異明顯，根據(jù)三維影像特征確定可能產(chǎn)生崩塌體的體積、穩(wěn)定性、是否有臨空面和崩塌規(guī)模等，如圖4所示。結合崩塌體與公路及其他設施的關系，進一步確定其危害性。有時崩塌壁形成陡坎，受光照方向的影響，整個崩塌壁和崩塌體均被陰影所遮蓋，影響崩塌微地貌的研究，但從其地貌部位和陰影的存在仍可推測其為崩塌。

2.3.3" 泥石流遙感解譯

形成泥石流的因素包括山坡坡度、植被分布、荒坡及耕地分布、巖土類型、地質(zhì)構造和水系等。對泥石流的3個區(qū)域（形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)）情況、泥石流的分類和危害程度進行詳細的解譯與定性分析是遙感解譯的主要工作。從遙感圖像上可讀取確定泥石流的3個分區(qū)、泥石流溝的流通狀況、堆積扇體大小與形狀、松散堆積物類型和儲量、植被種類及覆蓋度、山坡坡度和巖石破碎狀況等，如圖5所示。進而可以綜合分析泥石流流域地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，確定泥石流發(fā)生的類型、規(guī)模大小、危害對象、危害程度和穩(wěn)定性。

對于沒有明顯的3個區(qū)域特征的泥石流，如坡面型泥石流、形成區(qū)與流通區(qū)同區(qū)的泥石流、流通區(qū)伴有堆積的泥石流及不易分辨堆積區(qū)的泥石流，除了對周邊大面積巖性、構造和地貌等的解譯外，還應結合外業(yè)調(diào)查，才能有把握地判斷其是清水溝或是泥石流溝。

2.3.4" 不穩(wěn)定斜坡遙感解譯

不穩(wěn)定斜坡指具有蠕滑、傾倒和側向拉裂變形特征或趨勢的斜坡，包括由第四系松散堆積物構成的土質(zhì)斜坡和碎屑巖、碳酸鹽巖構成的巖質(zhì)斜坡。采礦、修路切坡容易造成斜坡的不穩(wěn)定。坡面植被覆蓋較少，無明顯的災害體形態(tài)特征。在遙感圖像上呈現(xiàn)的顏色較周邊穩(wěn)定地層淺，多呈灰白色或灰黃色，區(qū)域呈現(xiàn)片幫式或條帶式，如圖6所示。

2.3.5" 地裂縫遙感解譯

塌陷區(qū)域呈現(xiàn)明顯閉合且整體下陷，一般伴有地裂縫產(chǎn)生。塌陷坑落差明顯，有單體或群體分布的特征。地裂縫長度幾米至幾百米，寬度幾厘米至數(shù)米。遙感圖像上以灰黑色調(diào)為主，邊界明顯，以裂縫組或單體裂縫的形式存在，如圖7所示。

3" 結束語

綜上所述，航空攝影技術在本次資源普查中的地質(zhì)環(huán)境要素識別方面取得了良好的應用效果。該技術具有響應快，精度高和成圖快的優(yōu)勢，能夠在較短的時間內(nèi)直觀地反映出地質(zhì)環(huán)境要素的基本現(xiàn)狀，為山西省關閉礦井地質(zhì)環(huán)境普查提供參考。

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