三维倾斜摄影技术在尾矿库风险防控上的运用*

张 红，李全明，陈 涛，隋建政

(中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所[1]，存在洪水漫顶和坝体垮塌危险，是具有高势能的人造泥石流危险源。其构筑特性及用途必然对下游区域形成高危险性的安全隐患，可对周围的生态环境造成一定程度的破坏，时刻威胁下游人民的生命财产安全。尾矿库风险因素分为人为因素和自然因素2种[2]。尾矿库全生命周期管理过程中，存在缺乏正规设计、现场施工未满足设计要求、运行期间安全管理不到位等人为风险因素，导致尾矿库安全隐患不断累积，安全风险也随之增高[3-4]。与此同时，尾矿库绝大部分依山而建，具有泥石流、山体滑坡、不确定天气变化等自然风险。2种风险因素叠加后，对其安全运行构成重大威胁。防范化解尾矿库安全风险，保障尾矿库周边人民生命财产安全，已经成为尾矿库安全管理的重要工作。因此，精准掌握尾矿库安全运行数据信息、主动有效提出防控措施尤为重要[5]。

目前对于尾矿库的安全监管多采用人工巡查及传感器监测相结合的方法。然而，许多尾矿库的监测监控系统不完备、监测监控技术落后、专业监测人员缺乏，容易受到天气、人工、现场条件等诸多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差，这些都影响着尾矿库的安全生产和安全管理水平。因此，采用现代通信、电子设备及计算机技术实现对尾矿库监测指标数据实时、自动监测，是尾矿库安全监管的必由之路。“空天地一体化”开展尾矿库远程监测为实现尾矿库安全监管提供了新的数据获取手段[6]。无人机倾斜摄影技术作为“空天地一体化”的重要组成部分，具有时效性强、精度高、人工成本低等特点。其能够体现丰富、全面的目标纹理特征信息，并可精确测量地物的高度、宽度、坐标和面积[7]，是获取空间三维数据的重要手段[8]。目前，倾斜摄影技术在我国发展已有近十年时间，通常应用在城市测绘[9]、工程建筑[10]、大比例尺地形测绘[11-12]及矿山测绘[13-14]等领域。采用无人机倾斜摄影技术开展尾矿库三维模型创建与数据分析，一方面可直观展示库区周边及下游的环境分布情况，并通过历史数据对比，掌握尾矿库的最新运行状况[15]；另一方面可在俯视角度下捕捉出现突发事件区域的地理环境特征，为应急处置工作提供参考影像资料。

本文以我国江西省某尾矿库为例，采用无人机倾斜摄影技术对尾矿库及下游进行影像数据采集，并依此创建尾矿库三维实景，明确库区现状、周边及下游环境，为开展尾矿库安全防控管理部署和制定紧急灾害救援计划提供重要依据，进一步提高尾矿库风险防控的有效性和实用性。

1 倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影系统分析

倾斜摄影系统主要由无人机、五镜头倾斜相机(垂直、前、左、右、后共5个位面)、UAV-PPK模块和基站组成，能够满足一般地理条件工作要求，如图1所示。无人机具有造价低、机动性好、工效高等特点，被广泛运用于军事和民用生产。目前用于测绘的无人机基本都使用GPS定位和导航[16]，但是无人机飞控的GPS单点定位精度差，极易造成影像畸变，因此，在使用过程中对周边环境条件要求较高。然而，尾矿库多为依山而建，库区覆盖范围广，周边树木茂盛，地理环境复杂，导致精准成像的难度成倍提高。通常可以使用RTK(Real-time kinematic)或PPK(post processed kinematic)技术设备解决图像畸变问题，二者优、缺点如表1所示。

图1 倾斜摄影系统组成Fig.1 Composition of oblique photography system

表1 RTK与PPK技术分析Table 1 Analysis of RTK and PPK technologies

此外，PPK的数据记录模块可直接搭载在无人机飞行平台上，能够大幅提高图像坐标点精度，进行1∶500高精度免像控航空摄影测量作业。倾斜摄影数据覆盖范围如图2所示。

图2 摄影数据覆盖范围Fig.2 Coverage range of photography data

1.2 数据处理

倾斜摄影数据处理分为数据预处理、数据整合及模型输出3个步骤，其流程如图3所示。1)数据预处理主要包含：基站数据获取、影响畸变调整、数据解算、核对数据匹配及完整度。2)数据整合主要对提取的数据进行清洗、解析及组合，形成初步倾斜摄影模型。3)模型输出阶段，主要对初始模型缺损部位进行完善，对模型水域进行修复。

图3 数据处理方式Fig.3 Data processing method

1.3 航拍参数优化

无人机航拍前，根据航拍影像分辨率精度需求、地形复杂程度等设置航拍关键参数。参数设置前所需收集尾矿库信息主要包括：1)周边地形高程信息，尤其是飞行区域周边的山峰位置及高度信息。由于尾矿库面积大，飞行期间无人机将脱离视野范围，因此必须在航线图中确定飞行位置，并设置安全飞行高度。2)针对特殊建筑或区域制定紧急处置措施。查看尾矿库周边是否存在高压线、水域等特殊区域，飞行任务需掌握特殊区域的高精度数据，以避免撞击或坠机。3)确认矿源磁场区域及其强弱分布。由于部分矿山开采的矿源存在高强度磁场区域且强弱分布无规律，严重威胁飞行安全，工作前必须确认飞行任务区域内是否存在此类情况，并及时制定应急措施。

1.4 航拍流程设计

无人机航拍流程可分为航拍线路规划、航拍基础数据设计、检查飞行系统、飞控参数设置、设置其他参数与开始飞行作业6个环节，航拍流程设计如图4所示。

图4 无人机航拍流程设计Fig.4 Design of UAV aerial photography

2 尾矿库实例应用

2.1 尾矿库基本情况

江西省某尾矿库位处选矿厂下方的山谷中，设计总库容66.44×104m3，属于四等库。库区下游100 m范围内有12户居民，230 m外有某公路通过。尾矿坝为碾压堆石坝，坝高18 m，坝顶标高+227 m，坝顶宽8.9 m，坝体上游坡比和下游坡比均为1∶1.5，坝长114.10 m，库区中部有小面积水域。

库区属中亚热带季风湿润气候区，年降雨量1 458 mm。库区水文地质条件简单，主要为孔隙水及裂隙水2种类型。目前库区地层稳定、连续，无不良地质现象。库区两岸边坡稳定，西侧山脊高程260～290 m，山坡较陡，覆盖层薄，主要成份为变质岩风化后的坡积层；东侧山脊(山顶)高程为280～330 m，山坡较缓，覆盖层较厚，主要为黄褐色粘土；谷底高程207～230 m。此外，西侧山脊左侧为矿山，东侧为尾矿库，矿山西侧有河流通过。

2.2 尾矿库航线设计

为实现对尾矿库全库区及周边环境高精度建模，需搭载倾斜摄影设备的无人机保持较低飞行高度，并避开周边山体。因此，本次飞行选用大疆M600六旋翼无人机搭载五镜头倾斜相机及模块，数据采集采用PPK技术设备，航飞高度240 m，飞行速度8 m/s，影像分辨率100 PPI，航飞区域面积约1.24 km2，主航线上图像重复率为80%；根据安全因素和目标区域飞行条件设置为14条短航线，航线长度为17 349 m，以东南侧为起点，采用“S”形环绕尾矿库进行航拍，如图5所示。

图5 尾矿库全景航线设计Fig.5 Panoramic route design of tailings pond

2.3 尾矿库倾斜摄影数据分析

无人机依据图5所示航线开展尾矿库倾斜摄影，并对尾矿库三维点云数据进行提取、处理，生成三维空间实景影像如图6所示。

图6 尾矿库倾斜摄影三维影像Fig.6 Three-dimensional images of tailings pond by oblique photography

根据所获得的尾矿库空间三维实景，提取尾矿库坝坡比、干滩长度、汇水面积等模型参数与尾矿库现状进行对比，如表2所示。

表2 尾矿库三维模型数据对比Table 2 Comparison on 3D model data of tailings pond

根据数据对比可知，尾矿库现状各项参数与尾矿库现状实际数据基本一致。此外，相对于坝坡比在人工测量时仅能在初期坝顶与堆积坝顶2点间进行测量，无人机倾斜摄影所获三维实景模型可在坝坡任一部位选点进行测量，更能准确反映筑坝期间的筑坝质量、坝坡比分布情况和坡面筑坝质量。

3 尾矿库汛期防洪预测

通过对尾矿库三维空间模型数据进行提取，尾矿库现状水面标高223.5 m，汇水面积为1.78 km2，汛期库水面预测情况如图7所示。

图7 汛期库水面预测Fig.7 Prediction of water level in pond during flood season

尾矿库防洪设计标准为200 a，根据尾矿库调洪库容计算结果，其调洪高度为1.5 m，调洪库容5×104m3。通过对尾矿库三维空间实景进行汛期调洪高度线标记和调洪库容量计算，由图7可以看出尾矿库汛期调洪阶段最大水面边线。经实景图测量，汛期尾矿库干滩长度为80 m，高于《尾矿库安全规程》(GB 39496—2020)[1]规定的50 m标准，满足汛期防洪要求。

4 结论

1)无人机倾斜摄影技术作为“空天地一体化”的重要组成部分，具有时效性强、精度高、人工成本低等特点，可精确测量地物的高度、宽度、坐标和面积，是获取尾矿库三维空间数据的重要手段。

2)通过对倾斜摄影三维数据处理，创建尾矿库三维空间实景，可及时掌握尾矿库库区及周边环境现状，实现尾矿库的精准管理。

3)根据尾矿库防洪设计能力，结合尾矿库的实际数据，可有效开展汛期防洪预测，并为尾矿库安全防控管理部署和制定紧急灾害救援计划提供重要参考。