无人机航测技术在矿山塌陷区治理中的应用研究_张泽亮.pdf

202312技术应用与研究100Modern Chemical Research当代化工研究无人机航测技术在矿山塌陷区治理中的应用研究张泽亮（山西省长治经坊煤业有限公司 山西 047100）摘要：随着煤矿企业开采规模的扩大和开采范围的不断增加，煤矿企业范围内地表存在着一定数量且大面积的地表塌陷区需要治理。地表塌陷区对道路、桥梁、水渠等构筑物造成损害的同时，塌陷区上方的农田、果园也会因为地表裂缝导致无法灌溉，造成不同程度的减产；一些塌陷区中心还会存在积水区，积水淹没农作物会对农田、果园造成绝收等不可挽回的严重损失。为了更准确、及时、便捷地获得煤矿企业地表塌陷区实际情况，更好的服务于地表塌陷区土地恢复治理。此次研究，明确了无人机航测在塌陷区恢复治理中的应用，通过对矿山范围内地表塌陷区、积水区、地裂缝等周期性观测，绘制地表塌陷区实景3D模型，通过分析数字化地表模型，为塌陷区的恢复治理提供数据支撑和理论依据。关键词：无人机航测；塌陷区恢复治理；三维模型中图分类号：TD 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.033Research on the Application of UAV Aerial Survey Technology in the Treatment of Mine Subsidence AreasZhang Zeliang(Shanxi Changzhi Jingfang Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi,047100)Abstract：With the expansion of mining scale and the continuous increase of mining scope in coal mining enterprises,there are a certain num-ber and large area of surface subsidence areas that need to be treated within the scope of coal mining enterprises.While surface subsidence areas cause damage to structures such as roads,bridges,and waterways,the farmland and orchards above the subsidence areas will also be unable to irri-gate due to surface cracks,resulting in varying degrees of yield reduction;In some collapsed areas,there may also be waterlogged areas in the center,which can cause irreparable and serious losses to farmland and orchards when crops are submerged by waterlogged water.In order to obtain the ac-tual situation of the surface subsidence area of coal mining enterprises more accurately,timely and conveniently,and better serve the land restoration treatment of the surface subsidence area.This study clarified the application of drone aerial surveys in the restoration and treatment of collapsed ar-eas.Through periodic observations of surface subsidence areas,waterlogging areas,and ground fissures within the mining area,a realistic 3D mod-el of the surface subsidence area was drawn.By analyzing the digital surface model,data support and theoretical basis were provided for the resto-ration and treatment of collapsed areas.Key words：drone aerial survey；restoration and management of collapsed areas；three-dimensional model引言无人机航测是一种灵活、精准、高效、低成本的航空摄影测量手段。无人飞行器携带高清相机沿着特定路线对地面连续拍摄大量地表高清图片，并利用均匀分布在地面的像片控制点将高清图片按照测绘数据拼接，得到具有坐标系统的地表高清图片，结合外业调绘，可以绘制出区域地形图；同时，利用软件将正射影像和倾斜拍摄两种模式采集的全数字摄影测量数据建立三维模型，不但方便企业生产需要，也能指导采空区地表塌陷区恢复治理工作。本次研究是将无人机航测所获得的地形数据引入矿山塌陷区治理日常工作中，将本来复杂且繁琐的塌陷区测绘工作便利化，同时也能提高塌陷区测绘的准确性，航拍出的高清正射图像也能更准确的反应塌陷区地表现状，为塌陷区治理提供可靠的数据支撑。1.塌陷区带来的危害煤矿企业在日常的生产过程中，煤层开采后会在采空区上方地表形成凹形的移动盆地，不可避免的会造成采空区地表的塌陷，塌陷的区域通常在无人的荒地、山地等，也有一些在低等级的道路、农田、水利设施等这些与百姓生产生活息息相关的区域。不同的采煤方法、开采深度、采煤厚度、地层结构等都会对地表造成不同程度的影响。塌陷区内还会形成较大的地面裂缝，有的裂缝两侧落差在0.5m以上，裂缝裂开1m以上，对地表造成较大的损害。例如，道路塌陷造成道路出现裂缝形成台阶，导致行人、车辆出行不畅；农田内形成的裂缝造成农田无法有效灌溉，导致农作物减产等。很多塌陷区的中心还会形成积水区，积水区内的道路无法通行、农作物和果园等还会绝收，积水区对百姓生产生202312技术应用与研究101Modern Chemical Research当代化工研究活造成的损害更严重。根据土地复垦条例中“谁损毁，谁治理”的基本原则，塌陷区的土地恢复治理工作，一直被煤矿企业高度关注。针对不同环境、不同位置、不同程度的塌陷区制定合理的恢复治理方案，能够最大程度的补偿、减轻采空区塌陷区对地表生产生活造成的损害。图1 地表裂缝2.塌陷区测定的方法（1）地面调查。地面调查是在地表受采动影响的范围内，对地面构造物、建筑物、农作物等受损情况开展的现场实地调查。一般分为采动前、采动中、采动后三部分。在煤炭生产的各个阶段，都必须进行地面调查。地面调查可以提前掌握回采工作面上方地表建筑物、构筑物等要素的实际情况；同时在回采过程中时刻关注地表沉降、建筑物受损、地表开裂等情况；回采结束后的持续地面调查，对塌陷区沉降数据采集汇总、塌陷区土地恢复治理等工作也起到决定性作用。地面调查具有时间灵活、深入现场、直面问题等优点，便于普遍性开展，但也存在不能准确定位观测地点、短时间覆盖区域少、人员作业强度大等不利因素，所以精准、高效的地面调查需要结合其他测定方法同时开展，才能取得准确的数据。（2）手持GPS测定。手持式GPS是指使用GPS卫星全球定位系统，能够准确定位地表位置信息的可移动式设备，方便携带、重量轻、使用简单是它的主要特点。手持GPS一般配合地面调查同时使用，通过连接GPS卫星精准定位，采集塌陷区域内受损建筑物与构筑物的位置信息；也可以通过采集塌陷区拐点坐标、地裂缝位置信息，得出塌陷区、地裂缝坐标数据，将塌陷区、地裂缝绘制到图纸上，方便恢复治理工作的开展。利用手持GPS测定塌陷区信息，一定程度上提高了信息的准确性，也方便了信息采集、制图，提升了塌陷区管理效率。但手持GPS存在定位误差大、连接卫星时作业环境要求高等缺点，不能高精度的定位也对测绘工作产生一定影响。随着作业范围的增大，利用手持GPS设备进行地面调查时外业作业也同步增多，占用了大量人力资源。手持GPS在测量高程上的弱势，也使其无法在地面沉降观测等方面有所作为。（3）RTK测定。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，通过在已知位置的参考点上装上移动基站，知道定位信号的偏差。将这个偏差发送给需要定位的移动站，移动站就可以获得更精准的位置信息。RTK可以单独测量一个点的空间坐标，也可以在需要测定地面沉降的区域，埋设观测点桩，利用RTK设备，分回采前、回采中、回采后三个阶段，长期、多次观测测点的空间位置数据，求出塌陷区域沉降数据。不过使用RTK设备测定地面塌陷区沉降需要埋设大量观测点桩，且观测周期通常需要三至五年以上，测点桩的埋设位置又集中在农田等有人作业的区域，测点桩存在大量丢失、被人为破坏、塌陷区水淹等情况，容易造成观测后期，数据采集量减少、准确度下降等不利因素。与手持GPS相比，RTK精度较高、定位更准确，同时重量也更重、携带也不方便，如果大范围的地面调查或者长期的沉降观测，同样也存在外业作业强度大、施工效率底、施工时间较长的问题。（4）无人机航测。无人机航测是采用无人机携带高清数码相机低空飞行航拍带有位置信息的高清相片，利用图片处理软件，根据航摄相片与所摄目标之间的空间几何关系，采用共线方程由少量相片控制点计算待求点的平面位置、高程和相片外方位元素，并通过相关软件输出精度报告、点云、数字高程模型、数字正射影像图等成果的测绘方式。最终生成的地表实景三维模型和绘制的区域地形图都可以有效的服务矿山土地恢复治理工作。使用无人机航测测定采空区地表塌陷区，能够获得塌陷区地形图和地表实景3D模型，其中包括地表最新建筑物、构筑物、地裂缝位置数据。对塌陷区多次测定，还能分析出塌陷区沉降周期。无人机航测前，需要使用GPS测设相关区域控制网，并布设像控点。绘制地形图时，航拍不清晰的特殊位置，及一些建筑物、构筑物需要开展地面补充调查。图2 无人机航测工艺流程图3.无人机航测在塌陷区治理中的应用（1）无人机航测测绘区域地形图。在利用无人机航测测绘区域地形图时，首先需要确定航测的范围，202312技术应用与研究102Modern Chemical Research当代化工研究在航测范围内用静态GPS施测控制点，根据控制点使用RTK布设像控点。规划合理的飞行路线，利用晴好天气实施航测，飞行过程监控各飞行参数均应正常，巡航时速度基本稳定在50km/h，飞行姿态要平稳，滚转、俯仰姿角度偏差符合低空数字航空摄影规范要求。对航测范围进行航摄后，将所拍图片采用共线方程的方式处理成正射影像和三维模型。在对房屋结构、层数，阳台、飘楼及房檐情况；管线（电力线和通讯线）连线，植被信息，沟渠流向；道路的名称、铺设材料；企业单位名称；耕地是否为旱地还是水浇地；经济林为何品种等外业调绘后，使用图形编辑软件将图形信息、外业调绘内容按照制图标准将地物、地貌等要素绘制成区域地形图。相较于原有的使用全站仪、GPS相结合测绘地形图的方式，使用无人机航测技术工作效率更高、人员作业时间大幅减少，制图时更直观，成本也更低。极大的减轻了外业测量人员的工作强度。绘制塌陷区域实景3D模型，可以真实反映地形、地物的外观位置、高程等属性，便于煤矿企业生产过程中，随时获取地表信息。利用到塌陷区治理中，可以清楚的反映出塌陷区范围、塌陷区深度、塌陷区地裂缝位置等，便于企业对塌陷区开展土地恢复治理等工作。图3 塌陷区3D模型实景3D模型是利用无人机航测采集计划区域地形数据后，在空三解算软件ContextCapture Center上加载测区影像，人工给定数量的外业像控点，软件采用光束法区域网整体平差，以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地物点加入到控制点坐标系中，从而得到加密点成果即从已知特征点推算出未知特征点，并自动抽取所有特征点，构成整个目标地区的特征点云。在空三加密的基础上，生成点云数据、自动纹理贴图、最终生成三维模型。无人机航测所生成的三维模型，不但可以使用在塌陷区恢复治理中，为煤矿企业提供一种新的测定塌陷区的方法，还可以利用在智慧城市三维模型建设中，为城市智能化管理提供便利条件，也将地形图测绘带入了一个全新的领域。（2）无人机航测在塌陷区治理中的优势。原有的塌陷区治理，需要外业人员使用手持GPS等设备，在整个治理周期内都需要深入到塌陷区内进行沉降观测、地裂缝定位、地面调查、恢复治理情况收集等多种作业。存在工作繁重、任务量大、作业时间长等情况。有些塌陷区中心的水淹区、泥潭、沼泽地或者河道、沟壑、断崖处，外业人员也不易进入，无法准确定位塌陷区域位置以及塌陷区域面积等数据。使用无人机航测测定塌陷区范围后，无需外业人员使用手持GPS围绕塌陷区拐点绕行定位塌陷区范围，也可以准确标定出塌陷区内地裂缝位置、水淹区范围等其他塌陷区要素，减少大量外业作业，也方便了外业人员日常工作。同时，无人机航测收集的影像资料，反应了真实的地表情况，也能关注到一些人力所不及的区域。生成的实景3D模型，更是能直观的反应塌陷区真实地貌，对于塌陷区地裂缝防治、土地恢复治理等工作提供有效依据。使用无人机航测的倾斜拍摄，在相关区域回采作业前、中、后期多次拍摄，将所拍摄图片生成的三维模型相比较，更可以得出塌陷区地表在整个沉降周期内各个阶段的详细数据，对矿井高效生产、地表塌陷预报、矿井周边环境保护提供可靠依据。5.结论如何将无人机航测成果数据应用到煤矿企业地表塌陷区的恢复治理中是本项目的研究方向。随着北斗卫星导航系统的发展，以及无人机与数码相机技术的不断进步，无人机航测、航拍、遥感的精度有了很大的提升，可以通过无人机开展地面塌陷区航拍、航测，将所得数据应用到塌陷区、积水区、地裂缝等煤矿企业地表土地恢复治理中，并构建高精度地表塌陷区域实景3D模型，记录采空区地表塌陷区移动盆地详细参数，推测地表塌陷范围，为塌陷区治理、塌陷区损害防治等方面提供精确指导。相对于已有的地面观测手段，本项目利用无人机航测技术，解决了地面观测工作量大、人工成本高、施测效率低下、施工时间较长等问题，结合无人机航测技术的高效、快速、精确等特点，为煤矿企业土地恢复治理提供及时准确的数据资料。【作者简介】张泽亮（1989-），男，汉族，山西长治人，本科，工程师，研究方向：煤矿地测防治水。