無人機航測礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張自賓

1 引言

同煤集團有著悠久的開采歷史，隨著石炭系煤田的開采，井下采煤的深度、厚度均發(fā)生了變化，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率、影響范圍、災(zāi)害程度等均有加大的趨勢，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的難度也隨之加大。以往采用傳統(tǒng)人工測量及人工野外調(diào)繪等測繪方法只能獲取部分點、線狀地質(zhì)災(zāi)害要素，且工作量大、效率低、數(shù)據(jù)離散、時效性差、盲區(qū)無法覆蓋等問題。本文針對同煤集團大同礦區(qū)的特殊地理地貌，采用無人機航測技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，開發(fā)設(shè)計了一套完整的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查任務(wù)分發(fā)、反饋與上報等功能，并得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。

2 無人機航測系統(tǒng)

傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查多采用人工排查的方法，因礦區(qū)面積較大，人工排查僅是點、線的排查，井下一個盤區(qū)對應(yīng)地表排查時間約一周左右，存在排查時間長，排查地點不全面等缺點；常規(guī)航測為有人駕駛飛機，但因航拍比例尺小，成本高等問題，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中很少采用。無人機航測可成制大比例尺地形圖，成本低，機動靈活，特別是在雨季三防期間，對不良地質(zhì)地，地質(zhì)災(zāi)害隱患點等可實時多期航拍，第一時間獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報工作提供了一種新的方法。

2.1 影像獲取

無人機航測系統(tǒng)由影像獲取和數(shù)據(jù)處理兩大部分組成，此次地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查所使用的無人機系統(tǒng)以大疆旋翼機—M600飛行平臺專業(yè)定制而成，相機選用DJIZenmuse X5，該套飛行平臺其主要特點是通過A3飛控系統(tǒng)以及Lightbridge圖傳系統(tǒng)，可以全面提升系統(tǒng)的可靠性和操控性。

無人機航測影像數(shù)據(jù)獲取的主要流程包括任務(wù)需求分析、資料收集與整理、飛行場地選擇、飛行方案設(shè)計、起飛前和著落后飛行儀器檢查、飛行質(zhì)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、飛行資料整理等步驟，見圖1。

圖1 無人機影像獲取流程圖

影像數(shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)傳輸可分為非實時傳輸、現(xiàn)場傳輸處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳等方法。非實時傳輸需往返數(shù)據(jù)處理中心，受距離的影響；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳受網(wǎng)絡(luò)上行速度的因素制約，如果采用4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳，一架次數(shù)據(jù)回傳總耗時3 h左右。

在雨季三防應(yīng)急調(diào)查期間，為第一時間獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可采用現(xiàn)場傳輸處理或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳方法?，F(xiàn)場傳輸處理采用高性能工作站處理數(shù)據(jù)，需2 h左右，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳，約4 h左右，相比傳統(tǒng)的人工調(diào)查，此方法提供了一種高時效性、高精度的調(diào)查方法。

2.2 、數(shù)據(jù)處理

在航測外業(yè)工作完成后，選用Agisoft Photo Scan影像處理系統(tǒng)作為相片的制作處理工具，對航測圖像進行處理，完成航片選取、照片導(dǎo)入、對齊、照片拼接、專題圖生成等主要步驟獲得正射影像圖，還可以提取各種成果數(shù)據(jù)，如DEM（Digital Elevation Model-數(shù)字高程模型）、以及點云數(shù)據(jù)等[1.2]。再通過進一步影像解譯，獲取地表塌陷、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害信息。

3 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

“礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)”（以下簡稱：系統(tǒng)）是融合了無人機影像采集∕處理、地理信息系統(tǒng)（GIS）、智能終端APP、大數(shù)據(jù)分析∕展示等技術(shù)的綜合信息化平臺。應(yīng)用于對礦區(qū)地表的裂縫、塌陷區(qū)、老窯口等地質(zhì)災(zāi)害隱患（問題）的發(fā)現(xiàn)及監(jiān)測。

整個系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三大部分：任務(wù)管理、日常巡查、系統(tǒng)設(shè)置。設(shè)計開發(fā)語言為：Java-JDK 1.7，數(shù)據(jù)庫選用Oracle 11g，服務(wù)器架構(gòu)在集團公司地質(zhì)處，方便日常管理與使用[3-4]。為了方便調(diào)查人員及時上報災(zāi)害信息，開發(fā)了基于安卓系統(tǒng)手機版的智能終端APP：地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)登錄界面

3.1 服務(wù)器端系統(tǒng)各部分主要功能

任務(wù)管理主要是向工作人員分配任務(wù)以及查看任務(wù)反饋信息，工作人員通過分配設(shè)定好的賬戶密碼登錄：地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)，領(lǐng)取任務(wù)，完成后及時上報任務(wù)反饋信息。

日常巡查主要實現(xiàn)信息展示，地質(zhì)災(zāi)害隱患地點的列表管理以及相關(guān)活動的記錄上報。

系統(tǒng)設(shè)置可以實現(xiàn)區(qū)域、機構(gòu)、用戶、角色、菜單等管理功能，以及運行日志記錄。見圖3。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)功能

3.2 智能終端APP：地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)

現(xiàn)場勘查人員通過此APP應(yīng)用可以記錄隱患的各類信息（如位置、類型、描述以及圖形影像），并將獲取的信息傳回中心服務(wù)器管理，也可以接收中心下達的檢查任務(wù)并執(zhí)行、反饋[5]。見圖4。

圖4 APP初始界面及功能演示

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本系統(tǒng)管理單元在同煤集團地質(zhì)處，各生產(chǎn)礦井分別設(shè)立了專用賬戶，并進行了運行測試及管理人員單獨操作培訓(xùn)，通過日常使用，該系統(tǒng)可以有效的滿足日常工作，運行穩(wěn)定。以下是同煤集團同忻礦8203工作面采用無人機航測技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，以及現(xiàn)場人員接收到任務(wù)并通過智能終端APP實地反饋至地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)的過程。

1）、根據(jù)任務(wù)要求，提前設(shè)計規(guī)劃飛行區(qū)域，采用WGS84坐標(biāo)，標(biāo)定測區(qū)在地圖上的位置，區(qū)域南北向長約2 200 m；東西向?qū)捈s400 m；面積約0.9 km2。

2）、為了獲取整個區(qū)域的影像，確定飛行高度為100米進行區(qū)域拍攝。

3）、將航拍獲取的影像數(shù)據(jù)進行拼接、糾正、色彩調(diào)整、鑲嵌等處理，獲得區(qū)域正射影像圖，通過圖像解譯，初步確定地質(zhì)災(zāi)害的類型及位置信息，見圖5。

4）、根據(jù)已有位置信息，采用低于40 m的航高詳細調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害的類型、范圍及程度。

5）、工作人員通過地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)接收到任務(wù)指令，到達地質(zhì)災(zāi)害點，使用智能終端APP完成任務(wù)上報工作。

各生產(chǎn)礦井登錄系統(tǒng)，查詢地質(zhì)災(zāi)害信息，便可完成災(zāi)害點的治理工程。

圖5 正射影像圖（8203工作面區(qū)域）

5 結(jié)束語

本文采用無人機航測技術(shù)實現(xiàn)了大同礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，改變過去人工拉網(wǎng)式的調(diào)查方式，提高了調(diào)查工作效率，而且能夠覆蓋人工調(diào)查無法到達的盲區(qū)，通過與井下采掘情況對比，可以進一步分析研究井下采動引起的地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律，既可實現(xiàn)對礦井周邊地質(zhì)地貌的大范圍快速普查，又可高效獲取高清晰度的地貌照片，清晰分辨出常見的地質(zhì)災(zāi)害，大大增強了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查效率，為現(xiàn)代化地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作提供了一種先進的、有實用價值的技術(shù)手段，但無人機續(xù)航時間短，地面控制站有效距離5 Km以內(nèi)，有望在今后的續(xù)航和控制傳輸距離的增加以及多架飛機協(xié)同作業(yè)，來提高工作效率。本文設(shè)計開發(fā)了“礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查系統(tǒng)”，以及智能終端APP，實現(xiàn)了對礦區(qū)地表的裂縫、塌陷區(qū)、老窯口等地質(zhì)災(zāi)害隱患（問題）的發(fā)現(xiàn)及監(jiān)測，為大同礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害普查和治理工作提供了有力依據(jù)，在以后的地形地貌數(shù)據(jù)獲取、礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、土地調(diào)查復(fù)墾等方面可以發(fā)揮重要的作用，從而更好地推動礦山建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。