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(guó)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(cè)工作需要事先在采空區(qū)上訪設(shè)置觀測(cè)站，根據(jù)觀測(cè)區(qū)域的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)與觀測(cè)線的變化情況，所采用的測(cè)量技術(shù)有GPS測(cè)量、水準(zhǔn)儀導(dǎo)線測(cè)量、三角測(cè)量等，雖然在精準(zhǔn)度方面都有充分保障，但也存在監(jiān)測(cè)范圍局限、監(jiān)測(cè)點(diǎn)難以保護(hù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度低、工作成本高以及監(jiān)測(cè)工作量大等方面的問題。近些年，有研究機(jī)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(cè)工作，蔡旭等[1-3]通過MATLAB分享出三維激光掃描地面點(diǎn)與點(diǎn)云、去噪點(diǎn)、非地面點(diǎn)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(dá)到毫米級(jí)。然而，三維激光掃描儀器市場(chǎng)售價(jià)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(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)礦山開采沉陷狀況進(jìn)行測(cè)量，該技術(shù)所采用的硬件設(shè)備主要為民用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，價(jià)格便宜且易于維護(hù)。李娟[4]將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于礦山測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在空間特征識(shí)別方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。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(jī)低空攝影測(cè)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(cè)量技術(shù)結(jié)合起來，再加上數(shù)據(jù)的補(bǔ)充與集成處理，在關(guān)鍵位置實(shí)施高精度、高密集離散點(diǎn)測(cè)量，進(jìn)而建立起針對(duì)邊坡位置的風(fēng)險(xiǎn)管理和安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢?，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)監(jiān)測(cè)工作方面具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可將其應(yīng)用于礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)工作[5]。

1 無人機(jī)傾斜測(cè)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(cè)對(duì)象的圖片影像資料，由于以往的無人機(jī)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(cè)目標(biāo)，同時(shí)也存在多角度缺失的局限性。而隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及攝像頭模塊價(jià)格的下探，當(dāng)前民用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)已經(jīng)可以安裝5個(gè)攝像頭，可同時(shí)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(diǎn)位置信息，利用點(diǎn)云去噪、多角度影像聯(lián)合平差、影像相同點(diǎn)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(cè)量的無人機(jī)設(shè)備通常安裝有5臺(tái)攝像頭模塊，于東、西、南、北、中一個(gè)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(duì)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(cè)量如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測(cè)量Fig.1 Tilt photogrammetry

1.2 控制點(diǎn)的布設(shè)

此次研究基于區(qū)域網(wǎng)平差理論在測(cè)區(qū)布設(shè)控制點(diǎn)，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(diǎn)分布在周圍環(huán)境空曠、信號(hào)強(qiáng)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(duì)高程點(diǎn)和平面點(diǎn)實(shí)施聯(lián)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平高點(diǎn)測(cè)量。

1.3 控制點(diǎn)的聯(lián)測(cè)

搜集測(cè)區(qū)現(xiàn)有的地形圖資料以及大地坐標(biāo)等測(cè)量成果建立初級(jí)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(shí)施基礎(chǔ)控制測(cè)量，最終獲得與初級(jí)成圖坐標(biāo)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的像控點(diǎn)坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)附近已知控制點(diǎn)的聯(lián)測(cè)。

1.4 特征點(diǎn)的提取

此次研究通過SIFT特征點(diǎn)提取算法探查整幅影像的離散型特點(diǎn)，該算法下的特征點(diǎn)提取方案幾乎不受無人機(jī)拍攝角度和相片尺寸的影響，對(duì)于噪聲、光線的容忍度相對(duì)較高，只需要使用3～5個(gè)SIFT算子即可獲取連接點(diǎn)的方向與坐標(biāo)，尤其是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件快速發(fā)展的大背景下，該算法下的分辨速率可以達(dá)到毫秒級(jí)，適用于無人機(jī)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(shí)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(gè)像素分配一個(gè)單獨(dú)的外方位元素，同一相機(jī)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(tái)對(duì)無人機(jī)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該平臺(tái)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(tái)等4個(gè)部分組成。

ContextCapture Center Master主控臺(tái)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(tái)，無需用戶操作。該平臺(tái)采用主從模式，能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)引擎端并支持網(wǎng)格并行計(jì)算，數(shù)據(jù)處理時(shí)間大幅下降。輕量可視化模塊Acute3D Viewer負(fù)責(zé)對(duì)主控臺(tái)工作流的生產(chǎn)質(zhì)量實(shí)施控制，為用戶提供與場(chǎng)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(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)軟件架構(gòu)

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

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

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

無人機(jī)攝影測(cè)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(jī)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(jī)數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場(chǎng)指揮中心。無人機(jī)攝影測(cè)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(jī)攝影測(cè)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(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)的可行性分析

為驗(yàn)證無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，以山西省中部地區(qū)的某一試驗(yàn)礦區(qū)的工作面為對(duì)象進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，該工作面傾向長(zhǎng)240 m，走向長(zhǎng)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(cè)量方案對(duì)該工作面煤礦開采區(qū)的深陷狀況進(jìn)行測(cè)量，將所得到的實(shí)測(cè)下沉值與預(yù)測(cè)下沉值進(jìn)行對(duì)比，所得到的對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 工作面地表實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Tab.1 Comparison of measured and predicted values on working face

根據(jù)表1可知，所設(shè)計(jì)的無人機(jī)攝影測(cè)量方案能夠基本將實(shí)測(cè)下沉值與預(yù)測(cè)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)的差值相對(duì)較大，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于這3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分布于工作面邊緣，但對(duì)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(cè)

4.1 工程狀況概述

研究所選定的沉陷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(hào)，位于一水平9號(hào)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(jī)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(kuò)100 m區(qū)域進(jìn)行影像航拍實(shí)驗(yàn)，于2020年9月28日進(jìn)行第1次拍攝，于2020年9月29日進(jìn)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(duì)高度150 m，外業(yè)采集pos數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)18個(gè)，旁向重疊度75%、航向重疊度80%。控制點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 第1次/第2次航帶飛行及控制點(diǎn)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(duì)無人機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)和相機(jī)參數(shù)，通過空中三角測(cè)量技術(shù)對(duì)各個(gè)圖片的外方位元素進(jìn)行高精度解算，經(jīng)過密集匹配后輸出密集同名像點(diǎn)，經(jīng)過密集匹配后輸出密集同名像點(diǎn)，平差后再進(jìn)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(diǎn)云。

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

圖6 基于3D Resaper的點(diǎn)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(jì)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(fèi)級(jí)無人機(jī)應(yīng)用于礦山開采深陷狀況監(jiān)測(cè)工作可以在精確獲取礦山深陷圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)降低數(shù)據(jù)采集成本，通過Smart3D ContextCapture軟件對(duì)無人機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是一種充分發(fā)揮外業(yè)像控點(diǎn)和相機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)價(jià)值的一項(xiàng)重要手段。在以上兩項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，還需要通過3D Resaper對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，去除外業(yè)初始圖像存在大量的非地面點(diǎn)和噪點(diǎn)，使Smart3D ContextCapture所輸出的DEM渲染結(jié)果更加精確，最終通過兩期測(cè)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。