无人机遥感监测在煤矿地质灾害调查的研究与应用

王国飞

(山西焦煤汾西矿业集团 双柳煤矿， 山西 柳林 033300)

目前，煤矿在地面测绘及采后地质灾害普查方面主要采取常规的人工布点测量和通过地表变形观测站进行观测来获取基础资料。常规测绘和观测需要布置大量的测点来提高测绘精度，同时测量受地表条件的影响，对沟壑地段、起伏较大区域、陡坡区域无法做到均匀布点，且采后容易发生滑坡、塌陷等灾害。常规的测量手段周期长、劳动强度大、精准度低、观测范围有限且在特殊地段存在较大安全隐患。如何形成布点均匀、测量精准、安全高效的测量技术是解决上述难题的关键。

1 无人机遥感监测原理

通过大疆M600无人机搭载禅思X5相机完成研究范围内高分辨率影像获取，利用整合精密测时技术和载波相位差分技术来实时获取每一张像片拍摄的准确位置，利用PhotoScan软件对无人机获取影像数据全自动化处理，获得大比例尺的DEM数据和DOM数据，再使用ArcGIS分析地裂缝、沉陷、滑坡和坍塌等地质灾害发生的范围，并提取属性。无人机遥感监测流程见图1.

图1 无人机遥感监测流程图

2 无人机遥感监测方法

2.1 无人机遥感监测测绘步骤

1) 目测飞行场地，实地进行踏勘，确认测区地点、范围、起飞和降落区内无禁飞区和其他影响。

2) 根据测量区域确定坐标系统、摄区范围，设置航摄参数，如航摄分辨率、重叠度、航摄高度等。根据测区地形条件及测区形状布设航线及航线方向。

3) 选择基站，采用三角架严密对中观测3次，成果取平均值作为基站坐标值，每次测量前都重新初始化，待信号稳定后再继续下一次数据采集。均匀布置检查点，分别位于测区的四周和中心，能够反映地形起伏条件，具有代表性。检查点采用白灰布设为矩形“十”字。

4) 航线确定后进行检查，确保任务覆盖满足要求，然后根据飞行任务进行安全和应急设置。检查飞机姿态和拍照是否正常，检查完毕后，即可发送航线。起飞后观察GPS定位精度、飞机姿态、电源电量、飞行轨迹情况。飞机降落后，将POS数据和照片下载保存到安全位置；检查相片数据和POS数据是否一致，相片质量是否清晰完整。关闭自驾仪及飞机电源，进行回收作业。

2.2 PhotoScan处理航拍影像

PhotoScan数据处理软件对无人机航拍照片进行处理，通过导入具有一定重叠率的数码影像，实现高质量的正射影像生成及三维模型重建，整个工作流程无论是影像定向还是三维模型重建过程完全自动化。

利用基站点进行绝对坐标转换，经对齐照片、自动像点匹配、不合格点剔除、照片深度匹配、建立密集点云、生成网格、生成纹理等程序，生成高密度点云、正射影像(DOM)、地形模型(DTM)和高程模型(DEM). 利用高密度点云生成等高线和高程点，叠加正射影像、DEM采集地物，进行等高线编辑、地物绘制，地形图生产。

2.3 ArcGIS分析矿山地质灾害

ArcGIS是通过PhotoScan生成的数字正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)叠加，生成真实地形的模拟三维影像。通过空间分析结合目视解译确定已崩塌区、潜在崩塌区，滑坡区、潜在滑坡区，泥石流及潜在泥石流发生区，通过空间分析结合目视解译确定地裂缝、地面塌陷等，并计算其面积和拐点坐标。

3 无人机遥感监测现场应用

双柳煤矿在2019年前对采空区影响范围主要通过人工勘探、观测站观测，工作量大、工作范围有限、工作周期长。由于该矿地处黄土高原丘陵沟壑区内，植被稀疏，采后滑坡、塌陷严重，对人和车的安全造成隐患，一些沟壑区域无法进行测绘。为了解决该问题，2019年7月对该矿当年形成的采空区进行了无人机现场航拍测绘工程和数据处理，并遥感解译。无人机测绘地形效果与人工测绘效果对比见图2.

图2 无人机与人工测绘地形效果对比图

该技术的应用提高了测绘效率，5 cm以上的裂缝识别率与准确率达到了95%以上，地物地貌平面位置平均误差在3 cm以内，地表高程平均误差在3 cm以内，人的安全更有保障，对航拍结果自动成像、自动分析处理，同时普查不受地表条件的影响，范围更广，对处理结果更加精准为采后地质灾害预防和地质修复等提供有力依据。

较传统技术流程，无人机遥感监测获得的数据更多，能够监测到人工测不到的地点，人工测量有局限性，测量数据较少，通过在双柳煤矿采空区的应用试验，人工测量取得100组左右数据，使用无人机遥感监测得到了数千组测量数据，而绘图的精度和识别度与测点数量和数据多少有直接关系，因此利用无人机遥感监测处理结果更加精准和准确。

无人机遥感监测和传统勘察、测量数据对比分析，该项技术的应用在未降低数据精度前提下，减少了户外作业劳动强度，对1个采空区的普查人工通常需要35天，每次需要4～5人，而无人机每次投入2人，1天内就可完成，提高了勘测效率，降低了成本，增加了经济效益。在特殊危险区域可避免人员直接进入测量，通过照片分析获取数据使测点更加合理准确，而采用数据自动化处理分析，缩短了作业时间，提高了作业效率和测量精度。

4 结 论

1) 无人机遥感监测测绘在双柳煤矿的现场应用是可行的，同人工测绘相比，提高了矿山地质灾害调查效率和精度，节约了人力和时间成本，增加了经济效益，可为矿山地质环境保护规划和治理提供依据。

2) 无人机遥感监测测绘技术的应用可以有效避免在勘察时因采后塌陷、滑坡等地质灾害引起的人身伤害事故的发生，同时可避免人员直接进入特殊危险区测量，降低风险。

3) 由于无人机机身较轻，在飞行过程中受天气影响较大，特别是在较高空飞行拍摄时，受气流影响飞行稳定性较差，成像清晰度受到影响，可以对无人机动力系统进行改进，以减少气流对无人机成像的干涉。