基于无人机摄影技术的露天矿山安全评价技术*

徐超，朱远乐，廖文景，戴军，王淇萱

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.湖南铭生安全科技有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

0 引言

安全评价也叫风险评价或危险评价，以实现安全为目的，应用安全系统原理和方法，辨识与分析工程、系统、生产经营活动中的危险有害因素，预测发生事故造成职业危害的可能性及其严重程度，提出科学、合理、可行的安全对策，做出评价结论[1]。安全评价是提高矿山安全系数和安全生产水平的重要手段，也是监管部门为矿山颁发安全生产许可证的前提条件。

目前安全评价行业存在评价方法单一、评价准则不完善、缺少定量评价手段以及多数评价人员业务素质欠佳等问题[2]。有些评价机构和评价人员只把安全评价看成赚钱的手段，未按照规范和国家标准评价，对隐患缺乏足够的重视[3]，甚至受利益驱使，避重就轻，出具虚假报告；还有企业造假，不愿意提供真实资料，导致安全评价形同虚设、走过场等[4]。上述安全评价中存在的问题直接影响到安全评价的效力，致使本可以发现和控制的隐患进一步发展成生产安全事故，影响矿山的安全运行。长此以往，将影响到矿山行业的健康安全发展。因此，安全评价人员除了必须坚持基本的职业道德和操守外，还需积极思考安全评价的新方法，发掘安全评价的新技术，以适应矿山行业智能化、信息化的实际需求。

近年得益于低空、低速小型消费级无人机的推广使用和相关软件的研发，无人机摄影测量技术以其效率高、成本低、机动灵活、环境适应性强等优点广泛应用于露天矿山各个领域，目前已实现无人机实测地形[5−6]、无人机协助露天矿山指挥生产调度[7]、基于无人机摄影测量的露天矿边坡数值模拟[8]等。基于以上应用的领域，本文提出了无人机的摄影测量技术在露天矿山安全评价工作中的应用场景，并通过应用实践，以期解决露天矿山周边环境调查、快速获取准确的露天境界参数[9−11]等问题。

1 无人机摄影测量技术

无人机智能安全巡航通过搭载摄影部件采集露天矿山地表数据，包括倾斜摄影数据、视频记录、航拍照片等。无人机沿设定好的航线获取垂直于被摄物体的航空像片，在相隔一定距离的不同时间、不同位置拍摄同一目标，基于存在的视差构成立体像对，再通过空中三角解析法进行图像解析，将系列二维航拍图像转换为整个露天矿山的三维密集点云，接着结合三维建模技术生成露天矿山的三维倾斜摄影模型。无人机摄影测量流程如图1 所示。

图1 无人机摄影测量流程

软件系统利用三维GIS 技术构建三维地球环境，通过载入倾斜摄影模型构建出与GIS 环境相融合的虚拟露天矿山场景，可整体查看露天矿山的地貌特征，也可查看露天矿山的细节特征。软件系统通过空间几何计算封装多种标绘和量算工具，为露天矿山安全风险分析提供便利支撑。

2 无人机摄影技术在矿山安全评价中的应用场景

以湖南岳阳某露天矿山为利，该矿山为基建矿山，矿区面积为0.6 km2，准采标高为+380～+115 m，核准的生产规模为500 万t/a，开拓运输方式为公路开拓，汽车运输，采用中深孔爆破、分台阶开采。该矿在开展安全设施验收评价阶段时，项目组利用无人机对该矿山周边环境进行了调查；同时利用形成的三维模型，快速采集矿山的境界参数，并将其与传统测量手段对比，核实了其误差在可接受范围内，从而对安全验收评价提供技术支撑。

2.1 使用无人机调查矿山周边环境

露天矿山因其作业程序存在爆破、铲装等工序，可能对周边环境造成安全风险。因此在安全评价过程中，探查矿山周边环境（人员、设备、设施、建筑等）是重点工作内容。若在安全预评价阶段，勘查到矿山可能对周边环境造成安全风险，则需重新考虑矿山选址的合理性，或者设计措施消除、减轻对周边环境的影响；在验收评价及现状评价阶段，则需立即采取安全管理和技术措施，消除或减轻影响，以确保矿山生产与周边环境相互影响可控、符合国家标准规范的要求。

露天矿山往往位于山区，周边区域一般不便于行人，且可能受树木的影响通视困难，以往的评价人员主要通过实地踏勘、走访等形式调查矿山周边环境，存在耗时长、工作量大、无法获得全面准确的信息、调查存在盲区等问题，导致评价人员难以充分掌握矿山周边情况，无法充分辨识其存在的风险。

利用无人机探查矿山周边环境，将无人机带至矿山现场后，在无人机终端拟定飞行航线，考虑爆破影响范围，以矿权范围外扩500 m 作为飞行区域。无人机经过现场约1.5 h 的飞行后，利用无人机三维建模软件，将其收集的数据进行数据处理，即可形成矿山三维实景模型，如图2 所示。

从图2 可清晰看出，该矿北部周边存在水库，矿区东面存在民房，东南面分布有矿山建筑物（破碎系统、配电房），西南面存在废弃破碎站等。结合软件的量算功能，可直接在模型中测得矿区周边环境因素与本矿区的距离，从而分析矿山与周边环境之间相互影响关系，为提出对应的对策和建议提供依据。

图2 基于无人机摄影形成的矿山三维模型

2.2 无人机实时测绘采场境界参数

露天矿山安全评价需对矿山采场境界参数（台阶边坡、宽度、高度）进行采集，将采集的参数与设计参数进行对比，判断其符合性；另外还需将采集的数据用作采场边坡稳定性评价。传统方法主要是通过测量单位提供的矿山实测平面图，结合现场踏勘的直观感受辅以小范围的现场勘测来获得。实测图主要通过全站仪测得，虽然其单点监测精度非常高，但由于其仅在平台或边坡上选取有限的测点进行测量，因此难以全面表现出边坡现状。此外，从实测图上看，或许边坡整体状况较好，平均坡度、高度符合要求，但局部不符合要求的部分难以被体现出来，从而被评价人员忽视。而往往这些局部的隐患可能引发安全生产事故。

无人机测量的数据及传统测量方法测得的数据见表1。由表1 可知，235 平台宽度、220 平台宽度均大于50 m，满足设计平台宽度不小于50 m 的要求；235 平台坡度分别为67.0°、71.3°，而设计边坡角为70°，则说明235 平台局部台阶偏陡，企业应进行整改。通过与传统方法测得的数据进行对比，无人机摄影测量技术获得的数据误差值在可接受范围内，能满足安全评价工作需求；同时由于其数据处理具有便捷和快速特点，提高了对露天矿山境界参数的符合性判定效率。

表1 测量参数对照

另外，当评价人员需要通过某一剖面了解其边坡安全状况时，一般采用画图软件（CAD/MAPGIS等）根据实测平面图由人工作剖面图，这样不仅工作任务繁重，而且效率很低。而基于无人机摄影测量而形成的三维模型实际是由无数个点集合而成，每一点具有唯一的矢量特征。通过软件，可在三维模型中任意指定剖面线，直接生成对应的剖面图（见图3），并查阅剖面线的相关特征数据。同时可将该软件生成的剖面图导入Slide 等边坡稳定性分析软件，输入相关岩体力学参数后可直接进行边坡稳定性计算分析，为评价提供判定依据。

图3 在矿山三维模型内获得的任意剖面

此外，以往评价人员仅通过有代表性的几组剖面来评价整体边坡的稳定状况，得出的评价结论取决于评价人员的经验，可能存在误判。基于无人机摄影技术及处理软件获得剖面的高效性，评价人员可在三维模型中设置多个剖面线，以获取多个剖面用于计算边坡稳定性。这样选取的剖面样本数更多，更能代表采场边坡的实际情况，确保安全评价结论的可靠性。

类似地，上述无人机配套软件同样可用于测量矿山道路的坡度。矿山道路的坡度是露天矿山生产中重要的技术参数，其是否符合要求直接影响矿山的安全生产。根据重大生产安全事故判定标准，“上山道路坡度大于设计坡度的10%以上”属于重大隐患，因此对矿山道路的测量十分必要。基于无人机及配套软件，在形成的矿山三维模型中沿上山道路新建剖面、画出线路，即可形成对应剖面图，如图4 下方所示。根据形成的剖面可清晰地了解道路坡度的整体和局部状况，并快速计算其坡度是否符合要求。

图4 在矿山三维模型内获得的道路剖面

2.3 无人机进行安全隐患排查

安全隐患排查是安全评价的重要工作内容。露天矿山安全评价的“合格”结论，是在其按照安全评价组提出的隐患整改意见完成整改工作的前提下做出的。以往评价人员进行安全隐患排查工作的方式主要是现场踏勘、记录隐患，并留下相关的影像资料作为辅助证明材料。对于大型矿山，这种隐患排查方式将花费大量的时间和精力，效率较低。而且对于存在边坡浮石、滑坡、边坡失稳等安全风险的矿山，评价人员现场勘查时将面临严重的安全风险。

基于无人机摄影技术及处理软件，评价人员可以在完成矿山安全区域现场踏勘后，使用无人机探查危险区域的具体情况，利用处理软件形成三维模型后，通过电脑放大、缩小、旋转等功能，从不同角度观测矿山任意位置，以了解矿山整体安全状况，检查其是否存在安全隐患。

对于排查出的安全风险和隐患，还可以在模型中根据风险分级的原则通过四色图标识出，更为直观地表现矿山各区域的风险等级，以分别制定不同的安全管控措施。

图5 标注效果

3 结论

随着无人机摄影技术的发展及配套软件的研发，无人机在矿山的应用场景愈发广阔。通过分析，基于无人机摄影测量技术的露天矿山安全评价方法相比于传统安全评价主要有3 个方面的优势。

（1）用于勘查周边环境时，无人机效率更高、范围更广，可勘查出人工难以查出的危险因素，减少安全评价工作中的遗漏和失误，提升了安全评价工作的全面性。

（2）评价人员可更快速地获得露天矿山境界参数，并能高效提取多个剖面，使边坡稳定性的评判结论更为可靠、符合实际。

（3）可减轻评价人员现场工作的劳动强度及安全风险，利用配套软件的功能，可与矿山安全风险分级管控相结合，更直观地呈现矿区隐患区域，并提出针对性的安全管控措施，减少矿山生产安全事故发生。