基于無人機傾斜攝影的礦山開采沉陷監(jiān)測研究

翟 棟，張 萍

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714025； 2.中國工商銀行 渭南分行，陜西 渭南 714000)

傳統(tǒng)的礦山開采沉陷監(jiān)測工作需要事先在采空區(qū)上訪設(shè)置觀測站，根據(jù)觀測區(qū)域的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算觀測點與觀測線的變化情況，所采用的測量技術(shù)有GPS測量、水準(zhǔn)儀導(dǎo)線測量、三角測量等，雖然在精準(zhǔn)度方面都有充分保障，但也存在監(jiān)測范圍局限、監(jiān)測點難以保護、監(jiān)測點密度低、工作成本高以及監(jiān)測工作量大等方面的問題。近些年，有研究機構(gòu)開始將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山開采沉陷監(jiān)測工作，蔡旭等[1-3]通過MATLAB分享出三維激光掃描地面點與點云、去噪點、非地面點拼接的方法來處理掃描數(shù)據(jù)，分析礦區(qū)地表深陷特征，精度水平可以達到毫米級。然而，三維激光掃描儀器市場售價十分高昂，并且后期維修成本高且不便利，難以廣泛投入應(yīng)用。因此，本次研究決定通過無人機傾斜攝影技術(shù)對礦山開采沉陷狀況進行測量，該技術(shù)所采用的硬件設(shè)備主要為民用消費級無人機，價格便宜且易于維護。李娟[4]將無人機技術(shù)應(yīng)用于礦山測量工作，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在空間特征識別方面具有較強優(yōu)勢。在巖體性質(zhì)分析與斜坡形狀變化工作方面，有人將無人機低空攝影測量系統(tǒng)和手持式掃描設(shè)備、地面激光掃描技術(shù)、遙感測量技術(shù)結(jié)合起來，再加上數(shù)據(jù)的補充與集成處理，在關(guān)鍵位置實施高精度、高密集離散點測量，進而建立起針對邊坡位置的風(fēng)險管理和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。可見，無人機傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)監(jiān)測工作方面具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，可將其應(yīng)用于礦山開采沉陷監(jiān)測工作[5]。

1 無人機傾斜測量技術(shù)

1.1 傾斜攝影

傳統(tǒng)的垂直攝影技術(shù)指的是以垂直俯視角度獲取被測對象的圖片影像資料，由于以往的無人機設(shè)備只能搭載1枚攝像頭，因此必須采用垂直視角才能最大限度上完整覆蓋被測目標(biāo)，同時也存在多角度缺失的局限性。而隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展以及攝像頭模塊價格的下探，當(dāng)前民用消費級無人機已經(jīng)可以安裝5個攝像頭，可同時獲取5張不同角度的圖像信息，可以通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取高精度的飛行姿態(tài)信息和曝光點位置信息，利用點云去噪、多角度影像聯(lián)合平差、影像相同點匹配以及影像畸變差改正等一系統(tǒng)復(fù)雜處理，能夠獲取較為理想的地物權(quán)屬屬性數(shù)據(jù)[6-8]。

應(yīng)用于傾斜攝影測量的無人機設(shè)備通常安裝有5臺攝像頭模塊，于東、西、南、北、中一個方位平均分布，能夠拍攝傾斜角度在3°以上的傾斜圖像，以便于對目標(biāo)和地物的差別，提高區(qū)域整體建模質(zhì)量，傾斜攝影測量如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量Fig.1 Tilt photogrammetry

1.2 控制點的布設(shè)

此次研究基于區(qū)域網(wǎng)平差理論在測區(qū)布設(shè)控制點，各區(qū)域網(wǎng)平差均勻分散于洪山區(qū)周邊，并且將控制點分布在周圍環(huán)境空曠、信號強的位置，為獲取GPS數(shù)據(jù)創(chuàng)造便利條件，避開通信線路、電視塔、大片水域，防止受到電磁干擾，針對高程點和平面點實施聯(lián)測，進而實現(xiàn)平高點測量。

1.3 控制點的聯(lián)測

搜集測區(qū)現(xiàn)有的地形圖資料以及大地坐標(biāo)等測量成果建立初級成圖坐標(biāo)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上利用GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器實施基礎(chǔ)控制測量，最終獲得與初級成圖坐標(biāo)系統(tǒng)相對應(yīng)的像控點坐標(biāo)，以實現(xiàn)測區(qū)附近已知控制點的聯(lián)測。

1.4 特征點的提取

此次研究通過SIFT特征點提取算法探查整幅影像的離散型特點，該算法下的特征點提取方案幾乎不受無人機拍攝角度和相片尺寸的影響，對于噪聲、光線的容忍度相對較高，只需要使用3～5個SIFT算子即可獲取連接點的方向與坐標(biāo)，尤其是在現(xiàn)代計算機硬件快速發(fā)展的大背景下，該算法下的分辨速率可以達到毫秒級，適用于無人機攝影的數(shù)據(jù)處理[9-15]。

1.5 傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差

此次研究通過無約束定向方式實現(xiàn)傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差處理，為傾斜攝影圖像的每一個像素分配一個單獨的外方位元素，同一相機拍攝的影像使用相同的內(nèi)方位元素，該定向方式的基本方程如下：

x-x0n=

(1)

y-y0n=

(2)

1.6 數(shù)據(jù)處理

研究通過Smart3D數(shù)據(jù)處理平臺對無人機圖像數(shù)據(jù)進行處理，該平臺由ContextCapture Settings軟件管理、Acute3D Viewer可視化模塊、ContextCapture Center Engine引擎端、ContextCapture Center Master主控臺等4個部分組成。

ContextCapture Center Master主控臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可視化、設(shè)置處理過程、定義原始輸入數(shù)據(jù)；ContextCapture Center Engine引擎端位于系統(tǒng)后臺，無需用戶操作。該平臺采用主從模式，能夠在計算機上運行多個引擎端并支持網(wǎng)格并行計算，數(shù)據(jù)處理時間大幅下降。輕量可視化模塊Acute3D Viewer負(fù)責(zé)對主控臺工作流的生產(chǎn)質(zhì)量實施控制，為用戶提供與場面建筑模型相關(guān)的體積、面積、距離等數(shù)據(jù)信息[16-22]。

2 無人機攝影測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無人機攝影測量系統(tǒng)軟件架構(gòu)

無人機攝影測量系統(tǒng)由應(yīng)用層、服務(wù)層、傳輸層和感知層4個部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機攝影測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of UAV photogrammetry system

2.2 無人機攝影測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無人機攝影測量系統(tǒng)各部門之間的通信信道由無線通信和有線通信兩部分組成，無人機4G通信模塊將所采集到的數(shù)據(jù)上傳至4G基站，再由4G基站通過地面專線將無人機數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場指揮中心。無人機攝影測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人機攝影測量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Network topology structure of UAV photogrammetry system

3 無人機攝影測量系統(tǒng)的可行性分析

為驗證無人機攝影測量系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性，以山西省中部地區(qū)的某一試驗礦區(qū)的工作面為對象進行實地測量，該工作面傾向長240 m，走向長1 207.08 m，底板標(biāo)高為+460.1～+563.6 m，地面標(biāo)高為+1 066.5～+1 130.1 m。通過既定的測量方案對該工作面煤礦開采區(qū)的深陷狀況進行測量，將所得到的實測下沉值與預(yù)測下沉值進行對比，所得到的對比結(jié)果見表1。

表1 工作面地表實測值與預(yù)測值對比Tab.1 Comparison of measured and predicted values on working face

根據(jù)表1可知，所設(shè)計的無人機攝影測量方案能夠基本將實測下沉值與預(yù)測下沉值維持在150 mm以內(nèi)，能夠較為準(zhǔn)確地反映出工作面的下沉情況。其中，A1、A2、A12三個觀測點的差值相對較大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于這3個觀測點分布于工作面邊緣，但對于整體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并無嚴(yán)重影響。

4 煤礦開采深陷監(jiān)測

4.1 工程狀況概述

研究所選定的沉陷監(jiān)測實驗區(qū)為壽陽境內(nèi)新元礦9103工作面，該工作面位于黃土覆蓋層的丘陵地區(qū)，整體呈現(xiàn)西南低、北東高的單斜構(gòu)造形態(tài)，蓋山厚度499.4～634.0 m，煤層傾角一般為2°～8°。所采為煤層為9號，位于一水平9號煤一采區(qū)9103工作面，地面標(biāo)高+1 066.5～+1 130.1 m，底板標(biāo)高+460.1～+563.6 m；煤層總厚1.40～4.60 m，平均厚3.40 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角3°，埋深510.5～647.6 m。

工作面影像截圖如圖4所示，圖中框選區(qū)域即為無人機飛行區(qū)域。

圖4 新元礦9103工作面影像Fig.4 Image of 9103 working face of Xinyuan Mine

4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取及處理

(1)外業(yè)航拍數(shù)據(jù)介紹。本次研究于山西省壽陽縣新元煤業(yè)9103工作面外擴100 m區(qū)域進行影像航拍實驗，于2020年9月28日進行第1次拍攝，于2020年9月29日進行第2次拍攝。其中第1次拍攝共獲取垂直影像263張，傾斜影像1 052張。航拍相對高度150 m，外業(yè)采集pos數(shù)據(jù)和控制點18個，旁向重疊度75%、航向重疊度80%?？刂泣c布設(shè)如圖5所示。

圖5 第1次/第2次航帶飛行及控制點布設(shè)Fig.5 The first/second flight with flight and control point layout

(2)傾斜影像內(nèi)業(yè)處理。研究通過Smart3D ContextCapture軟件對無人機所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，在兩期外業(yè)垂直及傾斜影像數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合外業(yè)像控點和相機參數(shù)，通過空中三角測量技術(shù)對各個圖片的外方位元素進行高精度解算，經(jīng)過密集匹配后輸出密集同名像點，經(jīng)過密集匹配后輸出密集同名像點，平差后再進行匹配，通過不斷的重復(fù)操作來滿足精度要求，最終輸出高精度點云。

由于外業(yè)初始圖像存在大量的非地面點和噪點，因此通過3D Resaper對點云進行處理，重點處理由高壓線塔和植被所生成的干擾，最終輸出高精度點云，輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 基于3D Resaper的點云處理Fig.6 Point cloud processing based on 3D Resaper

在此基礎(chǔ)上，將第三方GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D ContextCapture軟件并輸出DEM，兩期輸出結(jié)果如圖7所示。在此基礎(chǔ)上，計算兩期DEM的減值，最終輸出如圖8所示的礦區(qū)下沉盆地形成差值圖。

圖7 第1次/第2次航飛DEM渲染圖Fig.7 DEM rendering of the first/second flight

圖8 兩期DEM差值圖Fig.8 DEM difference between two periods

5 結(jié)語

將民用消費級無人機應(yīng)用于礦山開采深陷狀況監(jiān)測工作可以在精確獲取礦山深陷圖像數(shù)據(jù)的同時降低數(shù)據(jù)采集成本，通過Smart3D ContextCapture軟件對無人機所采集到的數(shù)據(jù)進行處理是一種充分發(fā)揮外業(yè)像控點和相機參數(shù)數(shù)據(jù)價值的一項重要手段。在以上兩項技術(shù)的實際應(yīng)用中，還需要通過3D Resaper對點云進行處理，去除外業(yè)初始圖像存在大量的非地面點和噪點，使Smart3D ContextCapture所輸出的DEM渲染結(jié)果更加精確，最終通過兩期測繪圖像DEM相減的方式獲取DEM差值圖，工作人員通過該圖可以直觀地了解礦區(qū)開采深陷狀況。