无人机摄影测量技术在金川铜镍矿区地表塌陷监测中的应用

张永龙 武拴军 刘鹏山

（金川集团股份有限公司龙首矿

目前，金川铜镍矿区崩落开采深度与面积逐渐增加，上覆围岩受到严重破坏，矿区的地表已出现明显的变形。以往接触式测量很难对大范围的地表塌陷进行全面了解和掌握，更难进行矿区地表塌陷的预测。近年来，无人机摄影测量技术发展迅速，无人机低空摄影技术术已成功被应用于地形图测量、地质灾害调查、矿山执法、应急救援等领域［1］，极大提高了工作效率，取得了较好的效果。因此，本研究采用D2000型飞马无人机搭载OP3000型镜头对金川铜镍矿区地表塌陷进行摄影测量，为金川铜镍矿区安全开采提供更及时、更准确的监测数据。

1 无人机摄影测量工作流程

无人机摄影测量技术是借助低空无人机航空摄影方法［1］，快速、准确地获取地表信息，不仅仅能真实反映地面特征信息，而且可以通过先进的定位、融合、建模技术，生成真实的数字地表模型（DSM）。

无人机摄影测量系统是由无人机摄影平台、飞行控制系统和地面监控系统构成［2-4］，工作流程分为前期准备、外业数据采集、内业空三建模、数据编辑与加工4个部分，见图1。

（1）前期准备。首先结合矿区地形图、水文地质图等资料进行航测区踏勘，详细掌握塌陷区内山体、建筑物等的最大高度，便于规划无人机监测航线；然后布设像控点，为后续地表塌陷区的数字表面模型提供控制点信息，用于提高地表塌陷区的沉降3D模型与监测点的等值线图的测绘成果精度，像控点的坐标通过GPS静态测量方法测定。

（2）外业数据采集。通过飞行控制软件对金川铜镍矿区地表塌陷区进行航摄，获取金川铜镍矿区地表塌陷区的影像信息。按照仿地变高飞行，无人机摄影测量影像地面分辨率直接影响地表塌陷监测精度。

（3）内业空三建模。先利用无人机管家和Context Capture软件进行POS数据解算与坐标转换、自由空三处理、刺像控点，最后生成金川铜镍矿区地表塌陷区的数字地表模型（DSM），可以较直观、精确地展示出金川铜镍矿区地表塌陷区的基础信息。

（4）数据编辑与加工。在金川铜镍矿区地表塌陷区的数字地表模型（DSM）上，利用EPS三测图系统按10 m×10 m提取固定的地表塌陷边界的高程点，最后，利用Surfer数值模拟软件进行金川铜镍矿区地表塌陷点垂直位移等值线图的绘制与沉降3D模型的建立。

2 监测方案

2.1 矿区地表塌陷现状

塌陷区域面积约为2.3 km2，地势以戈壁滩为主，测区环绕山体，区域内建筑物最大高度为20～55 m，地势起伏不平。金川铜镍矿前期采用充填法采矿，而现采用崩落法回采铜镍矿石，与充填法相比，铜镍矿崩落法开采对矿体围岩的扰动更为明显，尤其是对上覆围岩的扰动。地表已出现25处明显的裂缝，经GPS测量技术定期监测发现，地表累计塌陷最大值已达570 mm，塌陷区形变明显，裂缝环形分布，局部塌陷的偶然性增大，地表塌陷区存在安全隐患。

2.2 无人机摄影测量技术方案

先对金川铜镍矿区地表塌陷监测区域进行现场踏勘，设计监测区域的航线，布设3#、5#、9#、11#与15#摄影像控点，利用GPS静态测量技术进行像控点联测。本次采用D2000型飞马无人机搭载OP3000型镜头相机，规划监测航线49条，航测点149个，续航时间49 min，最大风速为12 m/s，仿地相对高差为150 m，地表塌陷影像分辨率为1.5 cm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。本次监测周期为一周，严格按照变高飞行要求，每周期获取监测区域的1 991张影像信息。利用无人机管家和Context Capture软件进行POS数据解算与坐标转换、自由空三处理、刺像控点，先选定CGCS2000坐标系，再转换为适合矿区的地矿坐标系，最后生成金川铜镍矿区地表塌陷区的数字地表模型（DSM）（图2），模型地面分辨率达到1.5 cm，完全满足金川铜镍矿区地表塌陷监测精度要求。

3 应用效果分析

3.1 地表塌陷监测数据获取

将每监测周期的地表数字表面模型（DSM）导入EPS三维测图软件，确定出金川铜镍矿区地表塌陷监测范围，经过多次提取塌陷监测点、监测点数量的比对、沉降3D模型建立试验后［5］，制定按10 m×10 m的网格间距进行提取监测高程点（2 051个监测点），该监测范围完全覆盖金川铜镍矿区开采范围。每监测周期提取出金川铜镍矿区地表塌陷监测点（DWG格式），再利用CASS软件导出金川铜镍矿区地表塌陷监测数据，导出格式为.DAT。

3.2 监测点沉降统计

依据每期的金川铜镍矿区地表塌陷监测点的三维坐标数据，以第1监测周期的监测数据为监测起点，计算出地表塌陷监测点的垂直沉降量。采用Surfer软件对监测点沉降位移量数据进行处理，绘制出每监测周期的沉降等值线图（图3）。可以看出，监测点8-5、6-6与6-7的垂直位移矢量变化最为活跃，监测点8-5的最大下沉位移量为298.0 mm，监测点6-7为224.3 mm，监测点6-6为220.2 mm，矿区地表塌陷的总体上形成一个盆地，准确地反映金川铜镍矿区崩落法开采引起地表塌陷垂直位移的变化趋势。

3.3 监测点沉降3D模型

采用Surfer软件建立每监测周期的金川铜镍矿区地表塌陷监测点的沉降3D模型（图4），可以看出，监测数据所表现的沉降特征明显，具有显著的规律性，形成了以监测点6-6、6-7、5-11、5-12为中心的塌陷范围，准确地反映出金川铜镍矿区崩落法开采引起的地表塌陷每周沉降变化趋势。

3.4 地表裂隙

在金川铜镍矿区地表塌陷监测区域的地表数字表面模型（DSM）上，能够直接查看地表裂隙发展情况，获取地表裂隙的坐标、长度、宽度，从而计算金川铜镍矿区地表裂隙分布区域面积。

4 结语

本次采用无人机摄影测量技术进行了金川铜镍矿区的地表塌陷变化监测，建立了高精度的金川铜镍矿区的地表塌陷区数字表面模型。该方法与现有的地表监测方法相比，克服了外业工作量大、人工成本高、施测效率低及作业周期过长的问题，而无人机摄影测量技术具有高效快速、精细准确等优势，完全可以为金川铜镍矿区崩落法安全开采提供更及时、更准确的地表塌陷监测数据。