远—近景摄影测量在乌山铜钼矿工程地质勘察中的应用*

刘 伟 张海涛 王亚强 刘飞跃 杨天鸿 张鹏海

（1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院）

作为影响露天矿边坡稳定性的重要因素之一，岩体中不同级别的结构面分布特征直接影响岩体的力学特性、应力分布和破坏模式。一般来讲，在岩体结构面的5级分类方案中，需要岩体开挖过程中现场测试的岩体结构面包括：①II 级与III 级，含括各种断层、不整合面、风化夹层等，规模较大，数量较少，和开挖临空面相互交切组合，主要制约局部危岩体（关键块体）的崩落、滑动方式；②IV 级与V 级，具有一定分布规律和统计意义的节理面、卸荷裂隙、风化裂隙等微级结构面。IV 级和V 级数量大、随机展布，作为统计结构面主要弱化岩体的力学性质［1］。

目前，国内外学者对于岩体结构面采集作了大量的研究工作，归纳起来，当前的采集技术和方法主要有4 类［2-3］。①测线法：通过罗盘皮尺对结构面露头进行手动测量，得到迹长与方位等信息，同时进行地质素描得到结构充填情况；②钻孔电视法：通过定向钻孔并使用全景相机获取岩体内部结构信息，该方法获取结构面信息规模小，且难以获取结构面空间展布情况；③摄影测量法：该方法结合数字图像与摄影测量技术在计算机中重现工程岩体结构特征，作为一种非接触测量方法，摄影测量方法可以提供具有纹理信息的三维实体表面模型；④激光扫描法：使用激光扫描获取岩体表面三维点云，通过三维成像、影像匹配、模式识别等手段可以自动获取结构面的几何信息。

近年来，随着无人机（UVA）倾斜摄影测量技术的进步，使用无人机进行工程地质勘察甚至工程验收均有报道，当前无人机的精度可以有效地识别II级与III 级结构面，但难以对IV 级与V 级结构面进行精确识别。为此，本研究以乌山铜钼矿为例，使用无人机远景摄影测量与3GSM 近景摄影测量相结合的手段进行工程地质勘察，并将结果集成至SuperMap 的地理信息云平台。研究结果表明，该手段具有快速、精确、安全的优点，为非接触式勘察提供了可行的思路。

1 矿区概况

乌山铜钼矿位于内蒙古满洲里市，矿区面积为9.84 km2，分南北2 个矿段进行露天开采。矿山境界边坡最大高差约为630 m，整体边坡角为43°～45°。矿山边坡台阶高度为15 m，并段后台阶高度为30 m。露天开采终了境界圈定的采场尺寸：上口3 640 m×1 330 m，下口1360 m×160 m，封闭圈标高为735 m。露天采场目前最低开采水平为675 m，最高开采标高为855 m，现露天采坑最大深度为180 m，露天坑北矿段东北部有部分边坡已靠帮。

随着矿山开采揭露岩体范围的不断扩大，矿山不同边坡区域节理构造发育情况有较大差异，部分边坡区域构造发育、岩体破碎，已对下部安全生产产生了一定影响。如图1 所示，2016 年4 月份，在北矿段靠帮区域发生了一处局部滑坡，初步分析该滑坡体位于强风化层至地表间，由于冬季外部含水层渗水结冰，春季解冻，形成膏状半流质，导致边坡局部失稳。且现阶段揭露的采场北矿段东南部边坡岩体构造发育，岩体较破碎，存在断层及其破碎带，一经开挖，潜在应力释放快、围岩易失稳，存在引起边坡岩体局部失稳垮塌的风险，上部松散地层、土岩交界面及破碎岩体均会对下部露天采剥工作产生较大安全影响。

以上诸多不利因素严重威胁乌山铜钼矿边坡的稳定，极易诱发边坡发生滑坡灾害，一旦局部边坡发生滑坡，必将阻断局部运输线路，损害矿山运输和采矿设备，危及采矿人员的人身和财产安全，同时危及乌山铜钼矿的正常生产活动，给矿山企业带来巨大的损失。针对此问题，利用自带RTK 采集功能的航测无人机，获取具有位置信息的大批量照片，进而使用三维建模软件生成对应的高密度点云，并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率三维模型。基于倾斜摄影得到的高精度三维模型，建立多层次多尺度空间索引，实现乌山矿区大规模、多尺度的地质体、地质结构快速动态三维建模和可视化表达，准确、直观地反映矿山边坡现状，从而为矿山边坡稳定性判断提供判据，提高矿山生产的安全性。

2 远—近景相结合的摄影测量

2.1 无人机远景摄影测量

本次测试主要采用大疆M300 RTK 型无人机，该飞行器集成DJITM 先进的飞控系统、六向双目视觉+红外感知系统和FPV 摄像头，兼容全向避障雷达，内置DJI AirSense，可检测周围航空器情况，以保障飞行安全。该款无人机可适配多款DGC2.0接口的云台相机，多云台系统最多同时支持3 个独立云台，可满足不同领域的使用需求。飞行器内置RTK 模块，可实现高精度准确定位。双电池系统提升飞行安全系数，空载时飞行时间约55 min。

本次航测使用赛尔PSDK-102S 五镜头，单架次即可完成倾斜摄影测量所需的全部影像。无人机航测作业航线配置如图2所示，飞行高度为400 m，飞行速度为10 m/s，旁向重叠率为70%，航向重叠率为80%，边距为25 m，共拍摄约6 000张照片。使用赛尔航测管家将精准位置信息写入至每张照片，然后将处理好的照片导入至大疆智图软件中进行三维建模，使用配置有IntelXeon W3245M 3.2 GHz 的处理器（CPU）与NVIDIA RTX 2080Ti 显卡（GPU）的小型服务器，耗时约12 h获得乌山铜钼矿倾斜摄影模型。

从无人机倾斜摄影测量获取的三维模型上，可以清晰地获取断层裂隙带的分布情况。矿区主要断层裂隙带为北东向、北西向和近东向3 组，均表现为成矿后期断裂，对矿山岩体起破坏作用。将合成的三维倾斜摄影测量模型导入EPS软件中，手动描绘出断层的出露迹线，如图3所示。同时通过现场踏勘获得矿区内主要断层裂隙带的空间位置、产状、规模，其中位于滑坡区域的断层为北东向的F5断层。

2.2 3GSM近景摄影测量

为了获取IV 级与V 级结构面的分布特征，在乌山铜钼矿使用ShapeMetriX3D 系统对岩体表面进行近景摄影测量。首先确定调查区域，通过标定过的高像素相机获取揭露面左、右视图（图4），将左、右视图导入软件分析系统，系统根据像素点匹配、图像变形偏差纠正等一系列技术，自动识别点P1和P2并进行三维重构，得到三维点P（x，y，z），对三维模型进行合成，并实现方位、距离真实化，得到岩体表面的真三维数字模型，最终建立岩体表面模型。基于重构的三维表面，可以对岩体节理、结构面进行标记，如节理迹长、间距、断距等信息，最终可以实现对结构面几何产状信息进行统计分析。

北矿段南帮局部滑坡的近景摄影测量结果如图5 所示，在摄影测量的同时，使用RTK 获取其坐标。该区域分布2组节理，对应的节理线密度为3.39条/m（深色）与2.66条/m（浅色），对应的节理体密度为6.05条/m3。2 组结构面的方位分别为213°∠68°与130°∠41°。按照《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）中岩体完整程度的划分，该区域岩体的完整程度为“较破碎”，且主要结构面结合程度差，多为张性裂缝，对边坡岩体的稳定性有不利影响。此外，北矿段南帮局部边坡坡面的方位角为347°∠47°，与2组结构面相互切割易形成楔形滑体。总体来看，乌山铜钼矿北矿段南帮边坡区域构造发育、岩体破碎，易诱发边坡楔体滑坡灾害。此外，乌山铜钼矿位于内蒙古满洲里市，受北方季节变化影响，张性结构面开度较大，冻融影响下极易诱发边坡发生滑坡灾害。

2.3 数据集成与显示

将上述工程地质勘察结果集成至云平台SuperMap 地理信息系统，SuperMap 软件具备二、三维一体化的数据管理、处理、制图、分析、标绘等功能，支持在线地图服务访问及云端资源系统共享，可用于空间数据的生产、加工、分析和行业应用系统快速定制开发。该软件的大规模数据快速加载与显示功能特别适合于矿山精细化三维地质模型的云端显示。

将矿山虚拟仿真场景文件上传至阿里云服务器，文件包括场景涉及的所有网页代码、图片、数据库、地形数据。因为云端访问模块采用的是B/S 网络系统，需前端与后端协同实现，其中后端采用php 语言进行架构编辑［4-5］。

集成的云平台如图6所示，从网页即可获取数据服务和功能服务，包括数据查询、图表生成、三维模型显示及交互控制、矿山地质测量等功能，并行支持上层Web 端应用软件的服务调用。可以实现矿山实测数据的采集、存储、传输与可视化查询，三维地理信息系统访问，边坡稳定性分析与报警信息发布。

4 结论

（1）使用无人机远景摄影与ShapeMetriX3D 近景摄影相结合的近—远景摄影测量方法，一方面无人机具有机动灵活、高效快速、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在矿山测量过程中可以有效地识别II 级与III 级结构面，建立三维表面地质模型并识别区域内主要断层信息；另一方面，使用ShapeMetriX3D近景摄影技术对岩体表面进行抵近测量，对岩体的IV 级与V 级结构面进行准确拾取。二者从不同尺度上高效精确地获取岩体表面结构信息，在矿山实景测量中具有一定的推广意义。

（2）使用无人机倾斜摄影测量获取乌山铜钼矿表面三维地质模型，进而识别区域内主要断层信息，结果表明，北矿段南帮历史滑坡区域内存在北东向的F4 断层，对边坡稳定性有不利影响。使用ShapeMetriX3D近景摄影测量对乌山铜钼矿北矿段南帮历史滑坡区域进行抵近测试，该区域分布两组结构面，节理体密度为6.05条/m3，相互切割易形成楔形滑体。该区域岩体节理较为发育，且张性结构面结合程度差，属于破碎岩体。