戴 嵩，魏冠軍，梁 斌

（1.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

近年來(lái)，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重，其中尾礦壩由于堆放工業(yè)廢渣及廢棄物，具有高勢(shì)能，存在人造泥石流潰壩危險(xiǎn)[1]。礦山環(huán)境污染是采礦活動(dòng)引發(fā)的主要環(huán)境問(wèn)題之一，基于尾礦壩嚴(yán)重的安全隱患，世界上很多國(guó)家把對(duì)尾礦壩的安全監(jiān)測(cè)列為國(guó)家勞動(dòng)部門安全監(jiān)察的重要內(nèi)容[2?4]。當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，由于災(zāi)區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段無(wú)法及時(shí)獲取災(zāi)情。無(wú)人機(jī)同現(xiàn)有的常規(guī)手段相比，可以解決災(zāi)情勘察人員由于安全隱患無(wú)法接近災(zāi)區(qū)的問(wèn)題，能夠速獲取空間要素，具有高精度、高時(shí)效、低成本的優(yōu)勢(shì)，是一種快速部署、零傷亡的災(zāi)情獲取技術(shù)手段[5?9]。利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)地面空間要素一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了單相機(jī)無(wú)人機(jī)航攝試驗(yàn)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的地面監(jiān)測(cè)軟件；文獻(xiàn)[11]對(duì)遼寧省某市鐵礦開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行了無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[12]利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)程潮鐵礦西部塌陷區(qū)的地表塌陷變形。文獻(xiàn)[13]利用無(wú)人機(jī)影像對(duì)云南省滇東北地區(qū)滑坡的活動(dòng)性、發(fā)生發(fā)展過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析山體滑坡體特征。文獻(xiàn)[14]以錦屏二級(jí)水電站出線場(chǎng)邊坡落石災(zāi)害所在區(qū)域?yàn)槔?，將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡危巖體調(diào)查中。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，這為尾庫(kù)壩監(jiān)測(cè)防災(zāi)及精細(xì)測(cè)量提供一種新思路。

采用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè)具有非接觸性，大面積采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。獲取高精度的成圖是無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的保證。本文基于無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲取的航攝照片，經(jīng)POS(Position and Orientation System)數(shù)據(jù)誤差糾正，選取合理的像控點(diǎn)布設(shè)方案，利用獲取的尾礦壩高分辨率兩期DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)進(jìn)行尾礦壩沉降變形分析，對(duì)0～120 m，Y=0～700 m地表高程主要分析區(qū)域的變化情況做剖面分析，精度符合實(shí)際要求，為實(shí)際工況下無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量提供參考，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

1 無(wú)人機(jī)低空攝影成圖方法

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量是對(duì)地面監(jiān)測(cè)的一種新型手段。無(wú)人機(jī)采集地表信息的一般流程有航線規(guī)劃、布設(shè)像控點(diǎn)和提取信息，它通過(guò)獲取高清晰度航攝影片，獲取POS數(shù)據(jù)，聯(lián)系地面控制點(diǎn)，利用畸變改正等方法，經(jīng)過(guò)空三解算，獲取高精度DEM數(shù)據(jù)以及高分辨率正射影像[15?16]。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量獲取的航片需要確定投影坐標(biāo)以及DEM數(shù)據(jù)網(wǎng)格間距，精度越高則分辨率越高[17]?；跓o(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的尾礦壩地表沉降主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)應(yīng)用流程Fig.1 UAV monitoring application process

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)影像POS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差分析

改正模型糾正原始POS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差。無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的6個(gè)外方位元素Xs，Ys，Zs， Φ， ?，K是由共線方程反算

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量有一定的系統(tǒng)誤差，對(duì)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量精度造成影響的原因有很多種，但是最重要的是相機(jī)的分辨率；相機(jī)拍攝時(shí)存在的安置誤差；原始POS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差[18]。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的航飛方案可以提高影像質(zhì)量，提高航片的重疊度減少誤差，建立誤差得到，這是攝影測(cè)量的一個(gè)基本問(wèn)題[19?20]。共線方程的建立如式（1）：

式中：x0，y0——像主點(diǎn)；

x，y——以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；

?x，?y——相機(jī)畸變改正數(shù)；

f——像片主距；

Xs，Ys，Zs——外方位線元素；

X，Y，Z——物點(diǎn)的地面坐標(biāo)；

a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3——旋轉(zhuǎn)矩陣的9個(gè)元素。

通過(guò)地面控制點(diǎn)反算獲取影像精確的外方位元素，得到POS數(shù)據(jù)誤差的改正參數(shù)，建立兩種針對(duì)單張相片和多張相片的誤差改正模型。其中單張相片誤差改正公式如式（2）：

式中：XPi，YPi，ZPi， ΦPi， ?Pi，KPi—原始POS數(shù)據(jù)的外方位元素；

Xi，Yi，Zi， Φi， ?i，Ki—地面控制點(diǎn)反算獲取的外方位元素；

i—表示計(jì)算的影像張數(shù)，i=1,2,···,n；

?XPi， ?YPi， ?ZPi， ?ΦPi， ??Pi， ?KPi—表示第i張影像外方位元素的改正值。

如果選取多張相片進(jìn)行誤差改正，則誤差取平均值計(jì)算多張相片誤差改正公式如式（3）：

通過(guò)改正模型糾正原始POS數(shù)據(jù)誤差如表1所示。

表1 外方位元素的改正值和誤差來(lái)源Table 1 Correction values and error sources of elements withexternal orientation

3 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況與控制點(diǎn)布置方案

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)深處亞歐大陸腹地，地形地貌復(fù)雜，氣候干旱少雨，綠洲生態(tài)維持主要依賴高山雨雪形成的河流。尾礦壩較多，屬典型的山谷型尾礦庫(kù)。其中研究區(qū)尾礦壩具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，一旦潰壩容易造成特大事故和河流污染，對(duì)礦區(qū)的安全及其它方面也會(huì)產(chǎn)生一定影響。尾礦壩位于圖2所示的研究范圍內(nèi)，尾礦壩用于存放工業(yè)廢渣，而且在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前就已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)部分邊坡的滑落。因此需要對(duì)尾礦壩進(jìn)行無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析判斷邊坡是否再次出現(xiàn)滑坡災(zāi)害，以確保礦區(qū)地質(zhì)安全[21?22]。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)研究范圍Fig.2 Research scope of the experimental area

3.2 控制點(diǎn)布置方案

為獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)無(wú)人機(jī)影像，設(shè)計(jì)合理的飛行方案，分別在2018年8月2日及2019年8月5日采用固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行航拍，獲取兩期原始航片數(shù)據(jù)。為了保證生成具有高精度的DEM，飛行前在地面做好控制點(diǎn)并記錄其大地坐標(biāo)，將控制點(diǎn)清晰記錄在影像上。無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)設(shè)置相對(duì)航高為95 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%。在完成航攝后，應(yīng)對(duì)照片進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要包括：照片的清晰度和重疊度，有沒(méi)有航攝漏洞，航攝區(qū)域與需要觀測(cè)區(qū)域的覆蓋情況。如果在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有些照片不符合要求，進(jìn)行補(bǔ)飛，以免影響后續(xù)處理的精度[23]。

控制點(diǎn)的選取和布設(shè)可以保證低空攝影測(cè)量的精度。做空中三角測(cè)量需要布設(shè)的地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差[24]。采用高精度水準(zhǔn)儀按照一等測(cè)量規(guī)范在實(shí)驗(yàn)區(qū)域架設(shè)儀器獲取兩期尾礦壩區(qū)域控制點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，高精度全站儀獲取控制點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)區(qū)主要為尾礦壩區(qū)域，礦區(qū)兩側(cè)有山路環(huán)繞，便于行走及架設(shè)儀器。因此以尾礦壩為主要區(qū)域，然后沿礦區(qū)兩側(cè)山路在路邊進(jìn)行布設(shè)控制點(diǎn)。

針對(duì)控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)成圖的精度影響問(wèn)題，在第一次航拍前實(shí)驗(yàn)選取最佳控制點(diǎn)數(shù)量提高成圖精度。參考“均勻布設(shè)原則”，按照控制點(diǎn)依次增加2個(gè)，最后累加到14個(gè)的7種控制點(diǎn)布設(shè)方案。建模時(shí)，把用全站儀及水準(zhǔn)儀測(cè)量的對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)坐標(biāo)及高程輸入到軟件中，并且把糾正過(guò)的POS數(shù)據(jù)輸入到Pix4Dmapper軟件中，建立對(duì)應(yīng)的三維立體模型。對(duì)生成的模型進(jìn)行分析，讀取不同控制點(diǎn)布設(shè)方案下各控制點(diǎn)的坐標(biāo)，比較平面及高程精度。經(jīng)過(guò)處理的7種控制點(diǎn)布設(shè)方案的數(shù)據(jù)誤差如圖3所示。

圖3 7種布設(shè)方案的控制點(diǎn)誤差Fig.3 Control point errors of seven layout schemes

由圖3可以看出，隨著控制點(diǎn)數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)精度也在逐漸增加，數(shù)量到達(dá)8個(gè)之后，精度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，所以此次尾礦壩控制點(diǎn)數(shù)量選取為8個(gè)，數(shù)據(jù)精度達(dá)到最高。

將原始外方位元素代入控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行反算，利用Matlab軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤差改正模型計(jì)算出POS數(shù)據(jù)改正參數(shù)，然后對(duì)原始POS數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。選取第一期部分影像原始POS數(shù)據(jù)與糾正后POS數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 原始POS數(shù)據(jù)與糾正后POS數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of original POS data and corrected POS data

由表2可以看出改正的外方位元素精度得到提高，生成的正射影像及DEM數(shù)據(jù)相對(duì)提高。此次獲得的原始POS數(shù)據(jù)精度較高，經(jīng)區(qū)域網(wǎng)平差后，線元素誤差在0.1 m以內(nèi)，角元素誤差在1 °以內(nèi)，但還是滿足不了沉降觀測(cè)高精度的要求，所以需要糾正POS數(shù)據(jù)提高精度。用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行后續(xù)處理生成正射影像與DEM數(shù)據(jù)，投影坐標(biāo)系為WGS84-UTM44N坐標(biāo)系，第一期POS數(shù)據(jù)糾正前正射影像與糾正后正射影像對(duì)比如圖4所示。兩期控制點(diǎn)與DEM坐標(biāo)點(diǎn)位誤差如圖5所示。

圖4 第一期POS數(shù)據(jù)糾正前正射影像與糾正后正射影像對(duì)比Fig.4 Contrast of orthophoto before and after correction of POS data in the first phase

通過(guò)圖4可知用糾正后POS數(shù)據(jù)生成第一期正射影像的定位精度高于原始POS數(shù)據(jù)。由于目前的無(wú)人機(jī)沒(méi)有搭載后差分POS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因此要糾正POS數(shù)據(jù)進(jìn)行影像定位，提高定位精度。由圖5可知兩期地面控制點(diǎn)和生成DEM數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的差值在毫米級(jí)別，控制點(diǎn)的誤差基本控制在3 mm之內(nèi)，說(shuō)明其生成的坐標(biāo)精度可靠,可以用于接下來(lái)的尾礦壩地表沉陷分析。

圖5 兩期控制點(diǎn)與DEM坐標(biāo)點(diǎn)位誤差Fig.5 Error between control points in two phases and DEM coordinates

4 尾礦壩地表沉陷特征

對(duì)本次研究區(qū)域進(jìn)行位移沉降分析，首先需要得到DEM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息，生成的2018年8月2日及2019年8月5日DEM數(shù)據(jù)整體差值如圖6所示。根據(jù)Pix4Dmapper軟件生成的三維尾礦壩圖如圖7所示。

圖6 兩期DEM整體差值Fig.6 Overall DEM difference between the two phases

圖7 三維尾礦壩圖Fig.7 3D tailing dam

將尾礦壩兩期DEM數(shù)據(jù)整體差值覆于數(shù)字模型表面上，經(jīng)過(guò)ArcGIS平臺(tái)的技術(shù)處理[25]，得到尾礦壩整體沉降圖如圖8所示。

圖8 尾礦壩整體沉降圖Fig.8 Overall settlement of mine dam

對(duì)于尾礦壩整體的主要分析區(qū)域?yàn)?～120 m，Y=0～700 m地表高程的變化情況。為了分析研究區(qū)域地表塌陷區(qū)的沉降情況，對(duì)兩期實(shí)驗(yàn)所得到的模型區(qū)域內(nèi)，分別在Y=350 m、Y=100 m和X=60 m剖面線上，提取相應(yīng)點(diǎn)的高程差值，分析其高程在三次監(jiān)測(cè)情況下的變化，如圖9、10、11所示。

圖9 X=60 m剖面沉降圖Fig.9 Settlement diagram of profile with X=60 m

由圖8可知，尾礦壩整體出現(xiàn)了沉降，尾礦壩兩側(cè)山坡西坡受尾礦壩沉降及西南暖濕氣流的影響，在南北或偏南北走向山脈的西坡和西南坡形成大量降水，出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。由X=60 m剖面可知尾礦壩南坡沉降范圍最大。由于尾礦壩內(nèi)部存在礦區(qū)工業(yè)廢水，經(jīng)過(guò)一年的廢水流失，以及該實(shí)驗(yàn)區(qū)降水量大，受日照及降雨影響，尾礦壩的地質(zhì)發(fā)生了解構(gòu)現(xiàn)象，導(dǎo)致了整體沉降。南部尾礦壩下坡是尾礦壩的坡頂區(qū)域，坡度大，降雨量受面廣，受沉降位移的影響較為明顯，加快了地表塌陷區(qū)的沉降。尾礦壩北部因?yàn)槠露刃?，受降雨及日照影響小，所以沉降范圍小于南部。?duì)于剖面Y=500 m，根據(jù)剖面線上各點(diǎn)高程的變化情況可知，此剖面線上沉降位移為0.08 m左右。分析其原因，主要是因?yàn)榇似拭嫠巺^(qū)域比較平坦，屬于尾礦壩中部地區(qū)，沉降比較穩(wěn)定。對(duì)于剖面Y=100 m，尾礦壩下坡沉降范圍在0.16 m之內(nèi)。

圖10 Y=350 m剖面沉降圖Fig.10 Settlement diagram of profile with Y=350 m

圖11 Y=100 m剖面沉降圖Fig.11 Settlement diagram of profile with Y=100 m

綜上所述，當(dāng)前利用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)為監(jiān)測(cè)地表沉降提供了新的方法，比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式更加便捷。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)相比，低空攝影測(cè)量技術(shù)能夠從多角度進(jìn)行影像采集，能夠充分地獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的地形地物信息。

5 結(jié)論

文章基于無(wú)人機(jī)低空航攝技術(shù)獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用高精度成圖方法，得到實(shí)驗(yàn)區(qū)尾礦壩地表沉陷圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）通過(guò)改正原始POS數(shù)據(jù)誤差，是可以提高無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量成圖精度的，這為無(wú)人機(jī)在精細(xì)測(cè)量方向上有更多的研究潛力。無(wú)人機(jī)成圖精度并不是隨著像控點(diǎn)數(shù)量的增加而增加，要根據(jù)實(shí)際情況做出決策。

（2）經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的應(yīng)用，利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)尾礦壩地表沉陷的高精度成圖方法獲得的精度是可靠的，可以達(dá)到毫米級(jí)，這對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段是一種有效的補(bǔ)充。

（3）尾庫(kù)壩安全監(jiān)測(cè)一直是礦區(qū)安全生產(chǎn)的重要保證。由于光照、溫度、雨量、風(fēng)速和土壤質(zhì)地等因子的綜合作用，尾礦壩發(fā)生沉降，尾礦壩北部因?yàn)槠露刃。芙涤昙叭照沼绊懶?，所以沉降范圍小于南部。通過(guò)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)，對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)起到一定的預(yù)警作用。需要指出的是，本次試驗(yàn)研究的是植被覆蓋較少的尾礦壩區(qū)域，沉降變形主要靠人工識(shí)別和分析，下一步的研究工作將針對(duì)植被覆蓋廣的區(qū)域以及對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)分析。