無人機在尾礦庫健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究

黃立鑫，李旺平，凌 晴，周兆葉，李月鋒

(1.甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730000；3.甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

尾礦庫是礦山工業(yè)生產(chǎn)中的三大控制性工程之一，同時也是礦區(qū)內(nèi)具有高勢能的重大危險源之一，通常為了便于尾礦庫的施工建設(shè)，一般位于山谷之中，約90%的尾礦庫采用“上游式”筑壩工藝[1-2]。目前，我國現(xiàn)有的尾礦庫數(shù)量超過8 000座以上，總量位于世界第一[3]，根據(jù)專家估計，這些尾礦庫中能夠正常運行的只有70%左右，其中一部分已經(jīng)成為危庫和病庫。近年來，我國發(fā)生了一系列尾礦庫事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，并且對生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的破壞。2007年，遼寧鞍山尾礦庫發(fā)生潰壩事故，造成13人死亡[4]；2008年9月8日，山西襄汾新塔礦業(yè)特大尾礦庫潰壩事故，造成了277人死亡[4]；2010年9月，廣東紫金尾礦庫大壩坍塌事故造成直接經(jīng)濟損失達(dá)4.6億元[5]；2020年3月，伊春鉬礦尾礦庫4號溢流井發(fā)生傾斜，造成依吉密河水受到污染，嚴(yán)重影響下游河流的水質(zhì)安全[6]。

為了減少尾礦庫潰壩、泄露等事故造成的嚴(yán)重后果，對其實施科學(xué)合理、實時有效的安全監(jiān)測是尾礦庫安全運營管理工作的重要內(nèi)容，并對其危險性進(jìn)行評價，為尾礦庫災(zāi)害預(yù)防治理和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)，有效地減少尾礦庫災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)和生產(chǎn)生活帶來的損失。傳統(tǒng)的尾礦庫健康監(jiān)測方法是通過人工現(xiàn)場調(diào)查，或利用傳統(tǒng)的測量儀器獲取尾礦庫的幾何位置、裂縫形變等信息，這種作業(yè)模式效率低、數(shù)據(jù)完整性不強，更不能實現(xiàn)三維可視化的分析。目前，隨著3S技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)也日益成熟，由于其具有作業(yè)高效率、運行成本低、機動靈活、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和能夠獲得高分辨率的影像等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于地形圖測繪[7]、道路規(guī)劃設(shè)計[8]、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)[9]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[10]和電力巡查[11]等諸多領(lǐng)域。

因此，文章基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取某金礦尾礦庫的正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和實景三維模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對尾礦庫進(jìn)行淹沒區(qū)域分析和庫容量計算，進(jìn)一步實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和綜合管理，更好地掌握尾礦庫的健康現(xiàn)狀，為尾礦庫災(zāi)害風(fēng)險早期識別和預(yù)報預(yù)警提供重要的依據(jù)，對提高尾礦庫災(zāi)害及其災(zāi)害鏈的綜合監(jiān)測、實施國土空間規(guī)劃和自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化工程等都有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)獲取研究

1.1 尾礦庫概況

尾礦庫位于甘肅省瑪曲縣境內(nèi)，設(shè)計尾礦庫屬于四等庫，庫型為傍山型，堆壩方式為三面筑壩，壩體為不透水碾壓石壩，初期壩高20 m，堆積壩高33 m，形成總庫容量455.7萬m3，有效庫容量364.56萬m3，尾礦庫運行時間為2015年11月，設(shè)計年限為7.5 a。測區(qū)內(nèi)平均高程3 350 m，地勢起伏較大，尾礦庫下游有大面積的草原牧場和居民地；地物種類稀少，主要以亞高山草甸草地、草原化草甸草地、草原草地低等矮植被為主。

1.2 像控點布設(shè)與測量

在尾礦庫區(qū)域內(nèi)選取地勢較高、視野開闊、視場內(nèi)障礙物的高度角不超過15°的區(qū)域均勻布設(shè)12個像控點，按順序?qū)ζ溥M(jìn)行編號，測區(qū)內(nèi)編號不能重復(fù)。像控點在實地用紅色油漆噴制十字標(biāo)記，寬10 cm，長40 cm，噴漆清晰平直、易于辨認(rèn)，點位旁邊標(biāo)注點名。

基于衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)(CORS)為基礎(chǔ)，通過GNSS-RTK觀測的方法獲取高精度的像控點坐標(biāo)，其成果數(shù)據(jù)見表1。

表1 尾礦庫測區(qū)像控點成果表

1.3 航飛設(shè)備與航線設(shè)計

航測采用大疆精靈Phantom 4 Pro四旋翼無人機進(jìn)行影像采集，焦距為 8.8 mm，像元大小為1.4 μm，無人機設(shè)備如圖1所示。

對尾礦庫區(qū)域進(jìn)行垂直和傾斜拍攝的飛行任務(wù)航線設(shè)計總共分為5條航線，依次編號為1～5，其中垂直拍攝的航高和傾斜拍攝的航高均為100 m；垂直拍攝的航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為70%，傾斜拍攝的航向重疊度設(shè)置為70%，旁向重疊度設(shè)置為60%，每條飛行航線的詳細(xì)參數(shù)和相機參數(shù)如表2所示。

圖1 無人機設(shè)備Fig.1 UAV equipment

表2 無人機飛行航線詳細(xì)參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)獲取

無人機航測任務(wù)準(zhǔn)備工作完成后，選擇太陽光線良好、無風(fēng)的天氣進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取。飛行過程中實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)存儲情況，保證飛行任務(wù)的順利完成，本次無人機航攝共獲取影像1 456張，經(jīng)過內(nèi)業(yè)飛行質(zhì)量檢查，剔除效果不佳的影像后獲得原始無人機影像共1 428張。

2 數(shù)據(jù)處理與成果生成

本研究無人機影像內(nèi)業(yè)基于Pix4D mapper軟件對無人機影像進(jìn)行自動處理，Pix4D mapper支持絕大部分相機，包括RGB、多光譜、熱紅外等數(shù)據(jù)，自動空三計算和區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)，采用全自動工作流，可以將從地面、輕型無人機或航攝的影像處理得到厘米級精度的二維地圖、三維模型和點云數(shù)據(jù)。無人機影像內(nèi)業(yè)處理流程如圖2所示。

將尾礦庫區(qū)域的航測影像導(dǎo)入Pix4D mapper軟件進(jìn)行處理，并根據(jù)POS系統(tǒng)提供的地面控制點數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合平差計算，并得到所有加密點的物方坐標(biāo)，結(jié)合空三加密計算出的影像外方位元素，生產(chǎn)出數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)(DSM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，以及尾礦庫區(qū)域的實景三維模型數(shù)據(jù)，如圖3、4所示。

圖2 無人機影像內(nèi)業(yè)處理流程圖Fig.2 UAV image graph and data processing

圖3 DSM與DOM數(shù)據(jù)成果Fig.3 DSM and DOM data results

圖4 尾礦庫實景三維模型Fig.4 Real 3D model of tailings pond

3 尾礦庫健康現(xiàn)狀分析

尾礦庫的容量是衡量尾礦庫潛在危險程度的一個重要指標(biāo)，隨著尾礦砂的逐漸堆積，對尾礦庫的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響[12]。本文從尾礦庫容量和洪水淹沒區(qū)域兩個方面對尾礦庫進(jìn)行健康現(xiàn)狀分析。設(shè)定尾礦庫的最高蓄水高程為3 347 m，通過ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)分析功能計算洪水淹沒區(qū)域，計算結(jié)果如圖5所示。根據(jù)計算獲得的淹沒區(qū)域的數(shù)據(jù)，利用3D分析工具計算尾礦庫的庫容，計算結(jié)果如圖6所示。

圖5 尾礦庫洪水淹沒區(qū)域分析Fig.5 Flooded area of tailing pond analysis

圖6 尾礦庫庫容量分析Fig.6 Tailings reservoir capacity analysis

綜合圖5、6可知，尾礦庫現(xiàn)有的庫容量為15.41 萬m3；洪水淹沒區(qū)域面積為6.63 萬m2，占整個尾礦庫面積的48.5%。該尾礦庫運行時間為2015年11月，設(shè)計年限為7.5 a，有效庫容量364.56萬 m3。由此可知，該尾礦庫由于常年尾礦砂的堆積，目前現(xiàn)狀已經(jīng)處于百萬級堆積庫，并且洪水淹沒區(qū)域較大，若遭遇極端天氣誘發(fā)強降雨或地質(zhì)災(zāi)害等情況發(fā)生，尾礦庫的危險級別極高。在后期的運行中，基于3S技術(shù)和計算機技術(shù)，結(jié)合自然資源大數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影測量和在線監(jiān)測云平臺等方法加強尾礦庫的安全監(jiān)測。

4 結(jié)論

尾礦庫的健康監(jiān)測是礦山生產(chǎn)運營穩(wěn)定性和安全性的重要保障，在礦山安全管理工作中具有重要意義。文章根據(jù)甘肅省瑪曲縣某金礦尾礦庫的健康監(jiān)測需求，基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)和GIS技術(shù)，獲取了尾礦庫的正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和實景三維模型等基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)，并通過GIS空間分析功能對尾礦庫進(jìn)行洪水淹沒區(qū)域分析和庫容量計算。結(jié)果表明，尾礦庫現(xiàn)有的庫容量為15.41萬m3，洪水淹沒區(qū)域面積為6.63萬 m2，目前整個尾礦庫的危險級別極高。通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以在尾礦庫健康監(jiān)測中獲取較為精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步實現(xiàn)尾礦庫的風(fēng)險評估和綜合管理，為尾礦庫的監(jiān)測預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)服務(wù)。