賈虎軍，王立娟，靳 曉，唐 堯，馬國超

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045；2.重大危險源測控四川省重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610045)

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[1]，目前我國已有尾礦庫的數(shù)量約12 600多座[2]。由于尾礦庫存在洪水漫頂和壩體垮塌危險，且具有高勢能的人造泥石流危險源，一旦發(fā)生事故往往造成群死群傷和大面積環(huán)境破壞的惡性事故[3-4]。例如，2006年4月30日，山西省商洛市鎮(zhèn)安縣黃金尾礦庫發(fā)生潰壩事故，沖毀房屋76間，22人被掩埋，17人失蹤；2007年11月25日，遼寧省鞍山市海城西洋鼎洋礦業(yè)有限公司選礦廠5號尾礦庫發(fā)生潰壩事故，造成該庫下游2 km處的房屋被沖毀，17人死亡；2008年，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)公司“9.8”特別重大尾礦庫潰壩事故，導(dǎo)致281人死亡。近幾年隨著深入開展尾礦庫綜合治理，尾礦庫安全保障能力有所提升，但仍大量存在停用庫、“頭頂庫”、“三邊庫”、廢棄庫，事故隱患較重，安全保障能力與抵御風(fēng)險能力低。

目前尾礦庫監(jiān)管研究主要有2個方面，一方面是利用監(jiān)測儀器對尾礦壩浸潤線、壩體表面位移、雨量等在線監(jiān)測[5-6]；另一方面是利用遙感技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和地理信息技術(shù)對尾礦庫的數(shù)量、面積、可能事故流經(jīng)、下游敏感點(diǎn)以及水質(zhì)等進(jìn)行提取與分析[7-8]。如何運(yùn)用科學(xué)、有效的手段管理尾礦庫，提升其安全度，關(guān)鍵在于必須對尾礦庫進(jìn)行安全監(jiān)控，及時準(zhǔn)確地分析尾礦庫的安全狀況[9-10]。近年來興起的無人機(jī)航測技術(shù)是一項獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段[11]，具有成本低、作業(yè)快捷、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)，可快速獲取尾礦庫的高精度三維空間數(shù)據(jù)。

本文通過研究適用于尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)采集的無人機(jī)航測工作流程和空三加密原理，獲取尾礦庫的數(shù)字地表模型、數(shù)字正射影像和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；并通過尾礦庫現(xiàn)狀基礎(chǔ)參數(shù)提取、堆排量變化計算、堆排三維建模預(yù)測、下游脆弱性地物提取等方法，研究建立判斷尾礦庫安全狀況的可視化分析方法，實現(xiàn)對尾礦庫的全壽命周期管控。

1 尾礦庫概況

本文以四川省攀西地區(qū)某一尾礦庫為例開展研究。尾礦庫位于西、北、南3面環(huán)山的溝谷中，溝谷向北東及東邊匯入河流，河溝由南、北、中3條支溝組成。屬中山切割侵蝕谷地地貌，位于川滇南北向構(gòu)造帶中段，處于南北向斷裂構(gòu)造與早期東西向褶皺復(fù)合位置，區(qū)域構(gòu)造極為復(fù)雜，地勢西高東低。尾礦庫有3個壩體，總壩高246 m，總庫容5 079.5萬m3，有效庫容約4 800萬m3，屬二等庫，如圖1所示。

圖1 尾礦庫概況Fig.1 A survey of tailings pond

2 尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)獲取

本文采用無人機(jī)航測技術(shù)，周期性獲取尾礦庫的三維空間數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量和精度，需要對無人機(jī)航測工作流程和數(shù)據(jù)處理的空三加密方法開展研究。

2.1 控制網(wǎng)建立

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，需在尾礦庫周邊布設(shè)控制點(diǎn)，作為無人機(jī)航測的首級控制點(diǎn)。本文在圖1所示的某尾礦庫周邊山體選擇能長期保存、堅實和穩(wěn)固區(qū)域用全站儀和CORS布設(shè)了4個控制點(diǎn)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)和1985國家高程基準(zhǔn)(NVD1985)。

2.2 無人機(jī)航測流程

無人機(jī)航測的工作流程主要包括航測方案設(shè)計、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理等3部分。航測方案設(shè)計主要有實地踏勘、機(jī)型選擇、空域申請、航線設(shè)計等。數(shù)據(jù)獲取有地面控制點(diǎn)布設(shè)與測量、航測飛行、影像質(zhì)檢等環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理包括影像空三加密、成果生產(chǎn)、質(zhì)量檢查與精度評定等。尾礦庫多數(shù)位于地面特征點(diǎn)較少的區(qū)域，宜采用飛行前布設(shè)像控點(diǎn)的方案。無人機(jī)航測獲取的影像色調(diào)應(yīng)均勻、無云和霧[12]。

根據(jù)飛行面積和地形等條件要求，采用固定翼無人機(jī)對某尾礦庫開展航測，航線規(guī)劃如圖2所示。航向重疊度80%，旁向重疊度70%，飛行航高650 m，作業(yè)面積2.7 km2。共采集圖像182張，地面平均分辨率為0.12 m，布設(shè)地面像控點(diǎn)17個。

圖2 航測規(guī)劃Fig.2 Aerial survey plan

2.3 空三加密原理

以計算機(jī)視覺為原理的無人機(jī)影像空三加密，是通過計算機(jī)視覺技術(shù)在無人機(jī)影像群之間建立一種較為嚴(yán)格的航線模型，通過二維影像信息反算出拍攝影像時的真實場景。即把一幅無人機(jī)圖像通過空間變換方法映射到另一幅無人機(jī)圖像，使兩幅圖像中同一空間坐標(biāo)的點(diǎn)一一對應(yīng)。立體視覺系統(tǒng)一般由圖像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、立體匹配、深度確定及內(nèi)插6個部分組成[13]。

1)基于特征信息的影像匹配

SIFT(Scale Invariant Feature Transform，SIFT)算年子由D. A. Lowe于1999年提出，并在2004年進(jìn)行改進(jìn)的匹配算法，具有良好的魯棒性、較強(qiáng)的匹配性，能夠很好的解決無人機(jī)影像之間尺寸縮放、視角變換、旋轉(zhuǎn)和平移等多種情況下的影像匹配問題，能夠避免由于影像變形等原因造成特征點(diǎn)信息的丟失，適用于數(shù)據(jù)量多、變形大的無人機(jī)影像匹配。在影像匹配過程中，從無人機(jī)影像金字塔的各個層面分別進(jìn)行匹配，進(jìn)行多次迭代。

2)相對定向

相對定向是通過無人機(jī)影像匹配技術(shù)自動提取連接點(diǎn)，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差，獲取特征點(diǎn)三維坐標(biāo)。運(yùn)動模型算法相對定向方程如下：

Xij=PiXj

(1)

式中：Xij為第j個特征點(diǎn)在第i幅圖像中的二維信息；Pi為第i幅圖像的投影矩陣；Xj為第j個特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)[14]。

相對定向用7個參數(shù)來確定，其中6個外參，有：

(2)

(3)

以上參數(shù)為像空間輔助坐標(biāo)系[15]。加入相機(jī)畸變參數(shù)、POS數(shù)據(jù)，像控點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，優(yōu)化相對定向結(jié)果。

3)光束法區(qū)域網(wǎng)平差

光束法區(qū)域網(wǎng)平差的基本理論公式為中心投影的共線條件方程式。光束法區(qū)域網(wǎng)平差是從原始的無人機(jī)影像坐標(biāo)觀測值，建立平差數(shù)學(xué)模型，可以減弱數(shù)碼相機(jī)內(nèi)參數(shù)變化對平差精度的影響，提高地面控制點(diǎn)、影像外方位線元素的定位精度[16]。本文獲取的某尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)如圖3所示。

3 尾礦庫風(fēng)險可視化分析

基于尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)，通過基礎(chǔ)參數(shù)提取分析、堆排量變化計算、堆排三維建模預(yù)測和下游脆弱性地物提取等方法，掌握尾礦庫的現(xiàn)狀參數(shù)，實現(xiàn)尾礦庫安全風(fēng)險的可視化分析。

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)提取

將通過尾礦庫三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)參數(shù)與設(shè)計參數(shù)進(jìn)行對比，如表1所示?？梢钥闯?，尾礦庫初期壩外坡比和堆積壩總外坡比均符合設(shè)計要求，現(xiàn)狀總壩高均未達(dá)到最終設(shè)計壩高。

表1 某尾礦庫基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of a tailings pond

續(xù)表1

3.2 堆排量變化計算

通過對某尾礦庫2016年11月和2017年11月的數(shù)字地表模型進(jìn)行體積計算，得出某尾礦庫的堆排增量為348.84萬m3，即圖4中白色部分。1#和2#壩體新堆高為10 m，3#壩體新堆高為30 m。

圖4 尾礦庫2016～2017年堆排量變化Fig.4 The change of the heap displacement of a tailings pond in 2016～2017

3.3 堆排三維建模預(yù)測

基于尾礦庫的數(shù)字地表模型，并結(jié)合設(shè)計參數(shù)，構(gòu)建尾礦庫最終堆排三維模型，如圖5所示。

圖5 尾礦庫最終堆排三維模型Fig.5 Final stacking 3D model of a tailings pond

通過分析圖5發(fā)現(xiàn)，尾礦庫堆排至標(biāo)高為1 215 m以上時，由于右岸存在另一沖溝(圖中虛線所示)，尾礦堆排可能會溢出。在后續(xù)堆排過程中，企業(yè)可結(jié)合局部地形對壩軸線進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變坡處理。

3.4 下游脆弱性地物監(jiān)測

尾礦庫一旦發(fā)生事故，主要是對下游造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞，因此有必要對其下游脆弱性地物進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。文中所指的尾礦庫下游脆弱性地物(見圖6)監(jiān)測主要是對其下游1 km以內(nèi)的居民、重要設(shè)施建立數(shù)據(jù)檔案，并通過尾礦庫多期數(shù)字正射影像監(jiān)測下游區(qū)域的變化情況，使安全管控具有針對性。通過分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，某尾礦庫3個壩體的下游400 m范圍內(nèi)均存在大片的房屋、耕地、道路和河流等脆弱性地物，且通過對2016年11月和2017年11月的2期數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#壩體下游100 m范圍內(nèi)新增了1座房屋，將增加尾礦庫的風(fēng)險性。

圖6 尾礦庫下游脆弱性地物Fig.6 The vulnerability of a tailings pond downstream

4 結(jié)論

1)無人機(jī)航測技術(shù)具有成本低、精度高、時效性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠有效獲取尾礦庫的三維空間數(shù)據(jù)。

2)通過采用尾礦庫基礎(chǔ)參數(shù)提取分析、堆排量變化計算、最終堆排三維建模預(yù)測和下游脆弱性地物提取等風(fēng)險分析方法，可以及時有效的掌握尾礦庫的安全狀態(tài)。

3)通過無人機(jī)航測技術(shù)建立的尾礦庫三維空間數(shù)據(jù)只具有地表信息，在后續(xù)研究中應(yīng)引入地下探測和位移監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對尾礦庫的全方位、立體化管控。