邱亞輝，申紅梅，范冬麗，王世博，郎 博

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045；3.達(dá)州市煤礦瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，四川 成都 635000)

隨著淺部礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)發(fā)利用和逐漸耗竭，深凹露天礦成為露天礦山的發(fā)展趨勢(shì)[1]。在深凹開(kāi)采過(guò)程中大量的爆破、機(jī)械開(kāi)挖等工程活動(dòng)不僅使得采場(chǎng)邊坡形成結(jié)構(gòu)破碎、坡度陡峭的高危臨空面，且極易導(dǎo)致變形體滑坡[2-4]。大型露天礦山采坑存在占地面積大、地形復(fù)雜多變等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、精度不能保證，特別是在露天礦邊坡容易出現(xiàn)的滑坡裂縫地段，測(cè)繪技術(shù)人員進(jìn)入測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量存在很大的安全隱患[5]。因此，深入開(kāi)展大型露天采坑開(kāi)采范圍、邊坡穩(wěn)定性和開(kāi)采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，對(duì)有效控制邊坡工程災(zāi)害、礦山安全監(jiān)管具有重要意義[6]。

無(wú)人機(jī)(UAV)航測(cè)技術(shù)可以快速獲取高分辨率、高精度、直觀的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)[7]。解決了傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)量技術(shù)耗時(shí)耗力的難題。趙紅澤、黃軍等人研究發(fā)現(xiàn)利用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)快速獲取礦區(qū)航測(cè)影像，配合適量控制點(diǎn)得到符合精度的三維數(shù)據(jù)已成為可能[8，9]。目前，無(wú)人機(jī)航測(cè)平面精度可達(dá)厘米級(jí)，大大提高了露天礦山監(jiān)測(cè)精度[10]。Giuseppe Esposito等人利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)露天礦地表范圍和體積數(shù)據(jù)獲取進(jìn)行應(yīng)用研究，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行礦山測(cè)量與儲(chǔ)量計(jì)算[11]。黃皓中開(kāi)展了基于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的露天礦三維時(shí)空對(duì)比及微地貌分析[12]。韋小儒采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影對(duì)露天礦山開(kāi)采范圍、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。馬國(guó)超等人基于三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)露天采場(chǎng)開(kāi)展了安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[13]。

基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取大型露天采坑的多時(shí)相高空間分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，對(duì)大型露天采坑開(kāi)采范圍、邊坡風(fēng)險(xiǎn)性分析和開(kāi)采量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而支撐大型露天礦山科學(xué)化管理，為大型露天采坑開(kāi)采監(jiān)督管理提供數(shù)據(jù)支撐。旨在研究建立一個(gè)快速、精準(zhǔn)和低成本的技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)大型露天采坑開(kāi)采，用科技手段支撐礦山安全監(jiān)管。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于四川省攀枝花市的徐家溝大型露天采坑，產(chǎn)品為單一釩鈦磁鐵礦，采出原礦品位28.32%。礦區(qū)位于金沙江北岸的密地區(qū)域北部，采場(chǎng)位于山體靠山頂一側(cè)，礦區(qū)構(gòu)造主要有輝長(zhǎng)巖體原生層狀構(gòu)造、斷層及節(jié)理，其中斷裂構(gòu)造對(duì)礦體影響和破壞較大。礦區(qū)出露地層較簡(jiǎn)單，僅見(jiàn)有第四系、第三系上統(tǒng)昔格達(dá)組，三疊系上統(tǒng)大蕎地組、丙南組、寶鼎組及前震旦系康定群冷竹關(guān)組[12]。采坑開(kāi)采規(guī)模為800萬(wàn)t/a，開(kāi)采面積5.9838km2，開(kāi)采深度1812～1042m。生產(chǎn)段高15m，工作平臺(tái)寬度不小于45m，工作階段坡面角70°。

2 研究方法

采用固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取露天采坑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云去噪處理、剔除植被等預(yù)處理，生成DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)露天采坑DEM數(shù)據(jù)，提取采坑開(kāi)采范圍，開(kāi)展邊坡風(fēng)險(xiǎn)性分析，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采坑開(kāi)采量，輔助礦山數(shù)字化安全監(jiān)管。研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、無(wú)人機(jī)機(jī)型選取、航線申請(qǐng)與規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量、航測(cè)飛行、影像質(zhì)檢等環(huán)節(jié)。

本次實(shí)驗(yàn)共開(kāi)展了兩次野外飛行任務(wù)，分別為2016年12月以及2018年5月，使用的固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)為飛馬F1000無(wú)人機(jī)航測(cè)。因露天采坑地物類型復(fù)雜多變，在航攝區(qū)域未必都有合適的像控點(diǎn)，為提高刺點(diǎn)準(zhǔn)確率，保證成圖精度，在進(jìn)行外業(yè)作業(yè)前使用膩?zhàn)臃厶崆安贾孟窨攸c(diǎn)標(biāo)志，標(biāo)志為“十”型。利用Leica GS14型 GPS，接入四川省測(cè)繪局CORS網(wǎng)絡(luò)獲取像控點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)。2016年和2018年分別有效測(cè)量了14個(gè)和15個(gè)像控點(diǎn)坐標(biāo)。野外測(cè)量獲取的像控點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家2000平面坐標(biāo)和1985高程基準(zhǔn)。

無(wú)人機(jī)兩次航測(cè)飛行航高分別設(shè)置為865m和919m，在航高不同的前提下，考慮數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)精度均衡，選擇航向重疊度均為80%，旁向重疊度分別為75%、70%。無(wú)人機(jī)根據(jù)規(guī)劃的航線自動(dòng)獲取正射照片和POS數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2016年12月和2018年5月無(wú)人機(jī)航測(cè)參數(shù)

2.2 DEM生成

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取的影像、POS數(shù)據(jù)以及地面像控點(diǎn)，采用三維結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)重建技術(shù)SfM(Structure from Motion)工作流[13]，生成三維點(diǎn)云已是一種成熟的方法。SfM 方法基于像對(duì)間的特征匹配數(shù)據(jù)，通過(guò)迭代光束平差過(guò)程(Iteratve Bundle Adjust-ment Procedure) 自動(dòng)求解相機(jī)方位和場(chǎng)景幾何形態(tài)等信息[14，15]。SfM工作流主要有圖像特征匹配、空三加密、生成產(chǎn)品等[16，17]。本研究采用ContextCapture Master軟件生成了某大型露天采坑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中2016年12月和2018年5月的像控點(diǎn)平均均方根誤差分別為0.06m和0.07m，滿足大型露天礦山監(jiān)測(cè)需求。在Maptek I-Site Studio軟件中對(duì)點(diǎn)云開(kāi)展了去除噪聲、剔除植被等預(yù)處理，并利用ICP(Iterative Closest Point 迭代最近點(diǎn)算法)算法對(duì)兩期數(shù)據(jù)開(kāi)展匹配，配準(zhǔn)誤差為0.06m。ICP算法核心是最小化一個(gè)目標(biāo)函數(shù)：

基于自然領(lǐng)域插值方法，用匹配以后的點(diǎn)云創(chuàng)建DEM，生成的露天采坑兩期DEM數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 露天采坑2016年12月和2018年5月DEM

2.3 開(kāi)采范圍監(jiān)測(cè)

在無(wú)人機(jī)航測(cè)中，可以得到高分辨率的真正射影像圖(True Digital Orthophoto Map，TDOM)數(shù)據(jù)和高分辨率的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)。在圖2(a)中，藍(lán)色線為2016年12月某大型露天采坑開(kāi)采范圍。在圖2(b)中，紅色線為2018年5月某大型露天采坑開(kāi)采范圍。通過(guò)分析圖2可知，在2016年12月至2018年5月期間，該露天礦山主要在底部深凹開(kāi)采，開(kāi)采范圍無(wú)較大變化。

2.4 露天礦山邊坡分析

基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS地形分析功能，獲取露天采坑邊坡坡度數(shù)據(jù)，輔助分析邊坡的風(fēng)險(xiǎn)性。從圖3(a)(b)中可以看出某大型露天采坑邊坡坡度數(shù)據(jù)凸出的線性特征具有較好的識(shí)別和提取特性，可以從坡度圖上清晰的識(shí)別出露天采坑在開(kāi)采過(guò)程中形成的階地特征。在2016年12月和2018年5月坡度圖上可以看出某露天采坑西南面發(fā)生明顯變化，主要是因?yàn)榇嬖诨?圖3(c))。該滑坡發(fā)生于2012年8月20日，面積約44224.7m2，方量約12萬(wàn)m3。在采場(chǎng)東北角存在坡度變化明顯區(qū)域，是因?yàn)殚_(kāi)采礦石所致(圖3(d))。利用DEM提取大型露天采坑坡坡度數(shù)據(jù)可高效發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡崩滑現(xiàn)象，結(jié)合三維實(shí)景模型，可切實(shí)加強(qiáng)露天采坑邊坡安全管理。

圖3 大型露天采坑邊坡坡度分析

2.5 露天采坑開(kāi)采監(jiān)管

針對(duì)政府部門和企業(yè)對(duì)露天采坑開(kāi)采監(jiān)管需求，本文研究利用兩期DEM差值獲取采坑開(kāi)采變化情況。為了獲取露天采坑高精度開(kāi)采變化數(shù)據(jù)，需消除兩期DEM差值的誤差，誤差主要包括測(cè)量誤差、配準(zhǔn)誤差等[18]。

2.5.1 誤差差值計(jì)算

利用ArcGIS的柵格計(jì)算器，計(jì)算得到露天礦山的DEM差值。在完成差值計(jì)算之后，仍然需要考慮存在不確定性ζH：

H=HDEM+ξH

(2)

其中，HDEM為DEM比較計(jì)算完成后的高程差；H為誤差分析后的高程差；ξH為誤差值。ξH由高斯誤差傳播理論獲取，公式如下[15]：

式中，ξ2016=0.06為2016年測(cè)定的14個(gè)控制點(diǎn)計(jì)算均方根誤差(RMSE)，ξ2018=0.07為2018年測(cè)定的15個(gè)控制點(diǎn)計(jì)算均方根誤差(RMSE)，ξICP=0.06是點(diǎn)云ICP匹配的均方根誤差。經(jīng)計(jì)算得到最小檢出限ξH=0.11，即高程差變化小于ξH視為是由于誤差造成，而只有當(dāng)高程值變化大于ξH時(shí)，才作為高程差的實(shí)際變化量。

2.5.2 開(kāi)采動(dòng)態(tài)分析

在ArcGIS中利用柵格計(jì)算器中的con函數(shù)，將|HDEM|≤0.11m的部分賦值為0m，獲得露天采坑開(kāi)采變化圖，如圖4所示。通過(guò)分析圖4可知，某大型露天采坑開(kāi)采變化區(qū)域位于采場(chǎng)底部，主要因?yàn)槭堑V山開(kāi)采活動(dòng)引起的。比如，在圖4中1#區(qū)域的高程降低是因正常開(kāi)采活動(dòng)造成，增高區(qū)域主要是因修筑道路和堆積礦石。

圖4 某大型露天采坑開(kāi)采監(jiān)測(cè)

3 結(jié)論與討論

1)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有成本低、精度高、時(shí)效性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效獲取露天采坑的三維實(shí)景模型，能夠直觀清楚地觀察露天采坑的開(kāi)采情況，能夠?yàn)槁短斓V山監(jiān)管提供可視化的數(shù)據(jù)支撐。

2)討論了采用固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取露天采坑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、剔除植被等預(yù)處理，可生成露天采坑高精度DEM數(shù)據(jù)。

3)基于DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)地形分析提取露天采坑邊坡坡度數(shù)據(jù)，能夠凸出邊坡的線性特征，能夠有效發(fā)現(xiàn)邊坡的崩滑現(xiàn)象。

4)露天采坑多期DEM差值數(shù)據(jù)，經(jīng)高斯誤差理論剔除誤差值之后，可以獲得露天采坑動(dòng)態(tài)變化情況，可實(shí)現(xiàn)露天礦山快速、有效的安全監(jiān)管。