基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究_王德欣.pdf
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1、第 33 卷第 1 期2023 年 3 月安徽地质Geology of AnhuiMar.2023Vol.33 No.1文章编号:1005-6157(2023)01-0引言本文以淮南市采煤沉陷区为例。淮南矿区位于华东腹地,毗邻上海、南京,交通便利,战略地位十分重要。淮南地区经历了多次地壳运动。在此期间,地壳多次抬升和沉降,形成了海陆互动地层。特别是在晚石炭世和二叠纪,海洋和大陆沉积环境为煤炭资源的生成提供了良好的条件,从而形成了丰富的煤炭资源。淮南煤矿资源为全国能源供给做出了不可磨灭的贡献。随着采煤活动的日益进行,采煤沉陷区内地面也发生了不同程度的沉降,对农业、自然生态、人民的生产生活造成了影
2、响。因此,对沉陷区进行地面沉降监测具有非常重要的意义。通过长期有规律的监测获取沉陷区的形变序列,掌握形变分布现状,预测地面变形的发展趋势,能够有效地预防灾害发生。对于大面积研究区的监测,一般传统方法耗时耗力,如今沉陷区治理需要一种新的研究模式1,采用新的测绘技术来监测地面沉降,从以往的点状监测、线状监测提升为三维立体监测的方法。本文将基于无人机监测技术对研究区大面积的连续监测进行研究。1研究区概况淮南煤田的发现和开发始于淮河南岸。淮南地区煤矿资源丰富,开采煤层厚度大;研究区煤矿开采方式主要以地下开采为主,煤层厚度大,多层开采,造成地面发生大面积的沉降,且沉陷幅度较大,影响范围较广,随之产生一系
3、列的问题,如引发地表沉陷损毁积水、水利设施受损、建(构)筑物地基下沉、工程设施损坏等问题,并且治理难度大,对人民的生产生活及自然环境造成不可避免的安全隐患。对地面沉降进行跟踪监测,是治理采煤沉陷区的首要任务。2不同监测方法的局限性与优越性分析2.1 传统监测方法目前,采煤沉陷区地面沉降监测的方法有多种,传统方法主要有水准测量、静态GPS测量、动态GPS测量等,在以往的监测中使用广泛。传统的水准测量变形观测站的设置,主要以剖面线形式为主,获得的监测数据反映的主要是沉陷区域主断面的沉降情况,该方法只能对监测点绘制出的沉降剖面曲线图进行分析2。如果要全面掌握和分析沉降区内的地面沉降变形,必须布置大量
4、的监测点,并通过拟合等方式绘制监测区的沉降等值线图。这种地面沉降监测方法不仅工作量大、耗时长、成本高,且观测点难以长期保存,而且由于监测点维护不善或非沉降引起的点位变基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术
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6、地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究王德欣,李明(安徽省地质矿产勘查局325地质队,安徽淮北235000)摘要:中国是世界上煤炭资源较丰富的国家之一。煤炭资源的开发促进了中国经济的快速发展。然而,大量地下开采引起的煤矿地表塌陷对开采环境造成了严
7、重的影响和危害。安徽省淮南地区煤炭资源十分丰富,随着地下采矿活动的进行,发生着不同程度的地面沉降。为掌握沉陷区地面沉降现状,通过无人机航测技术对淮南采煤沉陷区进行摄影测量,并通过后期软件对两期数据的处理,生成点云,DEM对比分析,建立三维影像模型,得出沉陷区监测时间段的地面沉降情况。监测成果可以为灾害防治与预警提供基础数据,为沉陷区生态修复的方向及方式等提供依据。关键词:采煤沉陷区;无人机测绘;点云去噪;两期DEM分析;地面沉降;ArcGIS Pro中图分类号:P231文献标志码:A收稿日期:2022-8-18作者简介:王德欣(1986),男,安徽濉溪人,工程师,现从事地质测绘工作。E-mai
8、l:082-5第33卷第1期化,容易造成沉降变形分析处理中的偏差。随着GPS技术的成熟和广泛应用,GPS在地面沉降监测方面逐渐被大规模使用。该方法主要是通过GPS测量确定椭球的水平位置和高度,并根据椭球高度的差异确定垂直地面变化的程度。通常,为定期观测,会建立地表和地层移动的专门观测站。GPS测量方法具有定位精度高、观测时间短、易于自动监测、数据自动采集和处理等优点,在小范围矿山变形中得到了广泛应用,是一种实用的方法。然而,点位基站的稳定性难以保证,只能进行沉降点和沉降线二维测量,且投入代价较大,无法满足大面积沉陷区的监测任务。动态GPS测量方法较为简便,但同样需要布设大范围的监测点,且监测精
9、度相对较低,不能满足面状高密度的监测要求。简而言之,传统的测量方法在表面变形监测中起着重要作用,但随着测绘手段的发展,局限性越来越突出,主要表现在:(1)观测标志保存和维护困难,变形监测实施困难;(2)监测网络的投资和维护费用较大,受气候和地形条件影响;(3)观测时间较长,大面积变形监测难以在短时间内完成,影响变形数据分析质量;(4)对离散点的观测,只能获得大空间尺度离散点的形变信息,难以反映连续变形规律;(5)一般而言,观测点、线往往位于局部区域,无法获得综合形变数据。2.2 无人机等新技术监测方法为了研究沉陷区地表变形的成因、过程、趋势和发展规律,有必要采用新技术进行综合监测。无人机航测技
10、术作为新兴的高新技术,使用高分辨率CCD数码相机、激光扫描仪和其他机载遥感设备获取信息,利用计算机处理图像信息,根据特定的图像精度需求,不但可以获取大面积的光学影像,还能获取高达5 cm分辨率的数字表面模型,以及对应的点云数据,因此可以大面积监测地表形变3。与传统的GPS、RTK测量这些基于离散点的形变测量相比,无人机沉降监测具有以下几个方面的特点:(1)无人机航测具有较高的灵活性和安全性。环境因素对无人机航测的影响较小。(2)无人机航测按照一定的时间间隔对地面同一目标进行周期性的连续长期观测,它具有数据更新速度快、数据量大的特点,能够实时监测地面目标的连续变形过程。(3)作业成本较低,综合效
11、益最优。传统的外业测量方法投入的资金和人力成本较高,需要布设大量的监测点,无人机航测将无人机与高精度相机或雷达设备相结合,缩短了外业测量时间,布设少量检查点即可,从而极大地降低了外业成本,节省了人员、物资等投入,提高了工作效率。2.3 不同监测方法作业对比分析例如在监测某矿区约为18 km2沉陷区的沉降情况时,对三种监测方法投入的人员、设备、作业工期、监测点布设、监测工作量、投入资金等情况进行对比分析见表1。传统方法监测点布控图如图1所示,无人机航测检测点布控如图2所示。表1三种监测方法对比Table 1.Comparison of three monitoring methods监测方法水准
12、测量动态GPS测量无人机航测人员/人444工期/天1595设备仪器水准仪、监测点RTK、监测点无人机、检测点监测/检查点埋设/个959959104监测工作量198 km198 km18 km2项目投入资金/万元1294图1某沉陷区传统方法监测点布控图Figure 1.Layout of monitoring points with traditionalmethods in a subsidence area图2某沉陷区无人机航测检测点布控图Figure 2.Layout of UAV aerial survey and detection pointsin a subsidence area
13、王德欣,等:基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究83安徽地质2023年由表1可知,采用无人机等新技术对采煤沉陷区进行大范围的地表沉陷监测,具有效率高、投入少、工期短等优势。3数据处理及沉降分析3.1 无人机航测数据处理无人机测绘数据通过专业软件进行处理,获得地面点云和正射影像数据,一般操作流程如图3所示。图3航测数据处理流程Figure 3.Processing flow of aerial survey data3.2 点云去噪通过专业软件初步处理获得的点云数据具有点云数据密度不规则、由于异常值的特征造成遮挡等问题,需要去除噪声数据。点云数据去噪滤波算法包括双边滤波、高斯滤波、盒式
14、去噪、dbscan、KD树、条件滤波等,不同算法适用不同的情形4。(1)双边滤波。为结合距离和空间结构进行点云去噪的一种方法,适合有序的点云数据。(2)高斯滤波。属于线性平滑滤波,适用于消除高斯噪声,点云呈正态分布的数据。(3)分箱去噪。属于局部平滑滤波,将连续数据离散化,适用于点云呈偏态分布的数据。(4)dbscan。基于聚类原理对点云进行去噪,复杂度较高。(5)KD树。处理的一般为复杂度高、无序的点云数据。(6)条件滤波。条件滤波器是通过设定滤波数值,相对于地面高度或绝对高度,进行滤波的一种方法。对于航测的点云数据,包含有房屋、森林植被等地物,复杂度较高,通过KD树算法按分块体积对点云进行
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