張永龍 武拴軍 劉鵬山

（金川集團股份有限公司龍首礦

目前，金川銅鎳礦區(qū)崩落開采深度與面積逐漸增加，上覆圍巖受到嚴(yán)重破壞，礦區(qū)的地表已出現(xiàn)明顯的變形。以往接觸式測量很難對大范圍的地表塌陷進行全面了解和掌握，更難進行礦區(qū)地表塌陷的預(yù)測。近年來，無人機攝影測量技術(shù)發(fā)展迅速，無人機低空攝影技術(shù)術(shù)已成功被應(yīng)用于地形圖測量、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦山執(zhí)法、應(yīng)急救援等領(lǐng)域［1］，極大提高了工作效率，取得了較好的效果。因此，本研究采用D2000型飛馬無人機搭載OP3000型鏡頭對金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷進行攝影測量，為金川銅鎳礦區(qū)安全開采提供更及時、更準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 無人機攝影測量工作流程

無人機攝影測量技術(shù)是借助低空無人機航空攝影方法［1］，快速、準(zhǔn)確地獲取地表信息，不僅僅能真實反映地面特征信息，而且可以通過先進的定位、融合、建模技術(shù)，生成真實的數(shù)字地表模型（DSM）。

無人機攝影測量系統(tǒng)是由無人機攝影平臺、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成［2-4］，工作流程分為前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)空三建模、數(shù)據(jù)編輯與加工4個部分，見圖1。

（1）前期準(zhǔn)備。首先結(jié)合礦區(qū)地形圖、水文地質(zhì)圖等資料進行航測區(qū)踏勘，詳細(xì)掌握塌陷區(qū)內(nèi)山體、建筑物等的最大高度，便于規(guī)劃無人機監(jiān)測航線；然后布設(shè)像控點，為后續(xù)地表塌陷區(qū)的數(shù)字表面模型提供控制點信息，用于提高地表塌陷區(qū)的沉降3D模型與監(jiān)測點的等值線圖的測繪成果精度，像控點的坐標(biāo)通過GPS靜態(tài)測量方法測定。

（2）外業(yè)數(shù)據(jù)采集。通過飛行控制軟件對金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)進行航攝，獲取金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的影像信息。按照仿地變高飛行，無人機攝影測量影像地面分辨率直接影響地表塌陷監(jiān)測精度。

（3）內(nèi)業(yè)空三建模。先利用無人機管家和Context Capture軟件進行POS數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、自由空三處理、刺像控點，最后生成金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM），可以較直觀、精確地展示出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的基礎(chǔ)信息。

（4）數(shù)據(jù)編輯與加工。在金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM）上，利用EPS三測圖系統(tǒng)按10 m×10 m提取固定的地表塌陷邊界的高程點，最后，利用Surfer數(shù)值模擬軟件進行金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷點垂直位移等值線圖的繪制與沉降3D模型的建立。

2 監(jiān)測方案

2.1 礦區(qū)地表塌陷現(xiàn)狀

塌陷區(qū)域面積約為2.3 km2，地勢以戈壁灘為主，測區(qū)環(huán)繞山體，區(qū)域內(nèi)建筑物最大高度為20～55 m，地勢起伏不平。金川銅鎳礦前期采用充填法采礦，而現(xiàn)采用崩落法回采銅鎳礦石，與充填法相比，銅鎳礦崩落法開采對礦體圍巖的擾動更為明顯，尤其是對上覆圍巖的擾動。地表已出現(xiàn)25處明顯的裂縫，經(jīng)GPS測量技術(shù)定期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地表累計塌陷最大值已達570 mm，塌陷區(qū)形變明顯，裂縫環(huán)形分布，局部塌陷的偶然性增大，地表塌陷區(qū)存在安全隱患。

2.2 無人機攝影測量技術(shù)方案

先對金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測區(qū)域進行現(xiàn)場踏勘，設(shè)計監(jiān)測區(qū)域的航線，布設(shè)3#、5#、9#、11#與15#攝影像控點，利用GPS靜態(tài)測量技術(shù)進行像控點聯(lián)測。本次采用D2000型飛馬無人機搭載OP3000型鏡頭相機，規(guī)劃監(jiān)測航線49條，航測點149個，續(xù)航時間49 min，最大風(fēng)速為12 m/s，仿地相對高差為150 m，地表塌陷影像分辨率為1.5 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。本次監(jiān)測周期為一周，嚴(yán)格按照變高飛行要求，每周期獲取監(jiān)測區(qū)域的1 991張影像信息。利用無人機管家和Context Capture軟件進行POS數(shù)據(jù)解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、自由空三處理、刺像控點，先選定CGCS2000坐標(biāo)系，再轉(zhuǎn)換為適合礦區(qū)的地礦坐標(biāo)系，最后生成金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷區(qū)的數(shù)字地表模型（DSM）（圖2），模型地面分辨率達到1.5 cm，完全滿足金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測精度要求。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 地表塌陷監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

將每監(jiān)測周期的地表數(shù)字表面模型（DSM）導(dǎo)入EPS三維測圖軟件，確定出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測范圍，經(jīng)過多次提取塌陷監(jiān)測點、監(jiān)測點數(shù)量的比對、沉降3D模型建立試驗后［5］，制定按10 m×10 m的網(wǎng)格間距進行提取監(jiān)測高程點（2 051個監(jiān)測點），該監(jiān)測范圍完全覆蓋金川銅鎳礦區(qū)開采范圍。每監(jiān)測周期提取出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測點（DWG格式），再利用CASS軟件導(dǎo)出金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)出格式為.DAT。

3.2 監(jiān)測點沉降統(tǒng)計

依據(jù)每期的金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以第1監(jiān)測周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)為監(jiān)測起點，計算出地表塌陷監(jiān)測點的垂直沉降量。采用Surfer軟件對監(jiān)測點沉降位移量數(shù)據(jù)進行處理，繪制出每監(jiān)測周期的沉降等值線圖（圖3）?？梢钥闯觯O(jiān)測點8-5、6-6與6-7的垂直位移矢量變化最為活躍，監(jiān)測點8-5的最大下沉位移量為298.0 mm，監(jiān)測點6-7為224.3 mm，監(jiān)測點6-6為220.2 mm，礦區(qū)地表塌陷的總體上形成一個盆地，準(zhǔn)確地反映金川銅鎳礦區(qū)崩落法開采引起地表塌陷垂直位移的變化趨勢。

3.3 監(jiān)測點沉降3D模型

采用Surfer軟件建立每監(jiān)測周期的金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測點的沉降3D模型（圖4），可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的沉降特征明顯，具有顯著的規(guī)律性，形成了以監(jiān)測點6-6、6-7、5-11、5-12為中心的塌陷范圍，準(zhǔn)確地反映出金川銅鎳礦區(qū)崩落法開采引起的地表塌陷每周沉降變化趨勢。

3.4 地表裂隙

在金川銅鎳礦區(qū)地表塌陷監(jiān)測區(qū)域的地表數(shù)字表面模型（DSM）上，能夠直接查看地表裂隙發(fā)展情況，獲取地表裂隙的坐標(biāo)、長度、寬度，從而計算金川銅鎳礦區(qū)地表裂隙分布區(qū)域面積。

4 結(jié)語

本次采用無人機攝影測量技術(shù)進行了金川銅鎳礦區(qū)的地表塌陷變化監(jiān)測，建立了高精度的金川銅鎳礦區(qū)的地表塌陷區(qū)數(shù)字表面模型。該方法與現(xiàn)有的地表監(jiān)測方法相比，克服了外業(yè)工作量大、人工成本高、施測效率低及作業(yè)周期過長的問題，而無人機攝影測量技術(shù)具有高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確等優(yōu)勢，完全可以為金川銅鎳礦區(qū)崩落法安全開采提供更及時、更準(zhǔn)確的地表塌陷監(jiān)測數(shù)據(jù)。