基于无人机的矿区采动裂缝遥感解译方法研究与应用.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：基于无人机的矿区采动裂缝遥感解译方法研究与应用员鸿燕，潘峰，吴年华，蒙君文（山西工程科技职业大学交通工程学院，山西 晋中 ；北京城建集团有限责任公司，北京 ；北京冠华英才国际经济技术有限公司，北京 ）摘要：近年来，随着无人机遥感技术的发展，已经能够模块化、专题化获取国土、地形、资源、农业、环境等空间信息，并且自动化、智能化完成所采集遥感数据的处理、建模和应用。由于其监测效率高、操作简单便捷、易携带以及时效性强等优势，无人机遥感在各行业中都得到了广泛应用。本文是在分析山西阳泉矿区某工作面相关资料基础上，采用三维模型辅助数字正射影像（，）的裂缝目视解译方法和数字正射影像、数字表面模型（，）辅助三维模型的滑坡与塌陷目视解译方法，能够清晰提取地表裂缝的发育长度、形态、延展方向等特征信息，准确识别研究区域平面、剖面裂缝形态，掌握研究区裂缝动态规律，精确识别滑坡、塌陷的位置、边界和规模。无人机低空遥感技术通过高分辨率图像特征识别不同地表地貌，在矿区地质灾害监测领域具有广泛前景。关键词：无人机；地质灾害；解译；监测；煤炭开采中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犪 狀 犱犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犚 犲 犿 狅 狋 犲犛 犲 狀 狊 犻 狀 犵犐 狀 狋 犲 狉 狆 狉 犲 狋 犪 狋 犻 狅 狀犕 犲 狋 犺 狅 犱狅 犳犕 犻 狀 犻 狀 犵犆 狉 犪 犮 犽 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犝 犃 犞犢 犝 犃 犖犎 狅 狀 犵 狔 犪 狀，犘 犃 犖犉 犲 狀 犵，犠犝犖 犻 犪 狀 犺 狌 犪，犕犈 犖 犌犑 狌 狀 狑 犲 狀（犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犜 狉 犪 犳 犳 犻 犮犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犛 犺 犪 狀 狓 犻犞 狅 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犑 犻 狀 狕 犺 狅 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪；犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵犝 狉 犫 犪 狀犆 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狅 狀犌 狉 狅 狌 狆犆 狅，犔 狋 犱，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪；犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵犌 狌 犪 狀 犺 狌 犪犢 犻 狀 犵 犮 犪 犻 犐 狀 狋 犲 狉 狀 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犈 犮 狅 狀 狅 犿 犻 犮犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犆 狅，犔 狋 犱，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（），（）（）（）收稿日期：作者简介：员鸿燕（），女，山西太谷人，硕士，讲师，主要从事测绘工程教学及研究，：引文格式：员鸿燕，潘峰，吴年华，等基于无人机的矿区采动裂缝遥感解译方法研究与应用山西煤炭，（）：，（）：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；经济发展离不开煤炭资源的支撑。近年来，随着煤矿开采的不断增加，围岩原有的平衡应力被破坏，地表崩塌、滑坡、地裂缝等地质灾害日益严重，矿区人民群众的日常生活受到极大影响 。如何有效地预防灾害是研究人员应该解决的一个关键问题。因此，实时监测矿区地质灾害对抢险救灾、保障人民生命财产安全具有重要意义 。随着科技的进步，合成孔径雷达（）和无人机遥感 等变形监测技术逐渐出现。而 技术在监测大梯度形变时，容易产生失相干现象 。随着无人机遥感技术模块化，专题化国土、地形、资源、农业、环境等空间信息，且自动化、智能化完成所采集遥感数据的处理、建模和应用，无人机遥感在各行业中都得到了广泛应用，。部分学者在地质灾害监测领域进行了探索，候恩科等 对无人机遥感影像影像识别地表裂缝的效果进行研究，发现最小能够识别宽度约 的地表裂缝，将无人机遥感技术应用于矿区地灾监测可使得矿区地表裂缝解译的精度大幅提高。赵毅鑫等 对受采动影响的地表进行了无人机热红外试验，较好地识别了浅层隐蔽裂缝。使用多尺度模型 对 模 型 点 云 比 较（，）法识别和监测滑坡。综上所述，以无人机低空遥感数据为主、其它方法为辅，主辅结合可以有效监测分析矿区开采引起的地表裂缝及滑坡的分布特征、发育规律。本文在充分研究矿区相关资料基础上，采用三维模型辅助 的裂缝目视解译方法和、辅助三维模型的滑坡与塌陷目视解译方法，确定研究区内主要地质灾害类型有裂缝、滑坡、地面塌陷等。研究区域与数据 研究区域矿区位于山西省阳泉市桃河南侧，其东部最高为狮脑山，高程 ；西部最高为龙门山，高程 ；最低处为井田北界桃河，高程约 ，相对最大高程约 。研究工作面东北侧有已采工作面，目前均已进入稳定期，对研究区域地表造成的影响不大。采空区处理方式为冒落法，采煤方式为走向长壁后退式综采。图为该工作面地表上方的。图研究工作面上方地表 数据获取无人机飞行前，需要进行人工野外踏勘，充分了解航摄区域地形地貌、地面高差、查看地面有无高压线 塔、有 无 较 大 水 域 等。本 文 采 用 搭 载 了 可见光相机模块的飞马 无人机进行免像控飞行，飞行高度为 、的航向重叠和 的 旁 向 重 叠，相 应 的 地 面 采 样 距 离（，）为 像素。无人机和航线规划见图所示。无人机航测过程中，涉及飞机自身和飞行人员安全，需要对作业流程做进一步的确定。在执行飞行任务时，必须仔细考虑飞行条件。选择合适的飞行地点，稳定的天气条件进行执行任务，尽量保持在恒定和漫反射光照条件下航摄来采集数据，达到最佳的相机网络几何。山西煤炭第 卷图飞马 无人机及航线规划 开采地表裂缝提取及趋势分析 裂缝提取遥感影像上，不同地物对应的影像特征不同，目视解译就是根据光谱特征、空间特征等解译标志来完成的。遥感解译标志的建立，是在充分分析遥感图像上的地物和现象的影像特征后，进行综合分析所确定的可以反映和判别地物和现象的影像特征。地质灾害中常见的遥感解译标志见表所示。表常见地质灾害解译标志 灾害种类颜色形态位置纹理滑坡淡绿色、灰绿色弧形、扁圆形、梨形斜坡或陡坡上斑状、粗糙地面塌陷黑色、灰白色、黄褐色圆形、椭圆形旱地、道路两侧粗糙地裂缝黑色线状旱地或斜坡条纹状以飞马 无人机航片处理后最终生成的 影像数据为底图，在 平台上对工作面地面裂缝进行目视解译，将宽度大于 的地表裂缝的发育长度、形态、延展方向等特征信息在 中标记出来。经过处理得到 年 月日研究区影像数据生成的 中的地裂缝数据，裂缝提取结果见图所示。图地裂缝提取结果 地表裂缝特征夏季植被和冬季积雪的覆盖对裂缝的目视解译造成了较大的影响，仅在裸露的地表可以有效识别，因此未能全面反映研究工作面地表裂缝的特征。裂缝的平面形态类型对研究区域地表裂缝目视解译结果进行标记，裂缝分布及平面发育形态见图。裂缝多数发育在工作面上方地表，裂缝形态多为直线型和曲线型，少数为分叉型。工作面上方地表裂缝总体上有两类，一类是边界裂缝，分布在工作面顺槽、切眼及停采线外围，呈环状，发生于工作面拉伸变形区域；一类是动态裂缝，分布在工作面内，其延展方向大体与工作面回采方向垂直，在回采过程中，地表首先受到拉伸变形，裂缝发育，随后受到压缩变形，裂缝闭合。在工作面中心位置，裂缝方向与工作面推进方向垂直，延伸至采空区边界，逐渐演变为平行于工作面推进方向。图裂缝分布及裂缝平面形态类型 裂缝的剖面形态类型在无人机图像上，通过对裂缝两侧地表高程信息的提取，可进一步将裂缝划分为正台阶状裂缝、负台阶状裂缝和无明显错落裂缝种，见图。依据研究区地表裂缝的目视解译结果，可以发现研究区种裂缝形态均有所分布。第期员鸿燕，等：基于无人机的矿区采动裂缝遥感解译方法研究与应用图台阶裂缝图 地表裂缝动态发育规律根据开采沉陷理论与方法，裂缝的产生与地表拉伸变形密不可分，永久裂缝一般在采空区边界产生，动态裂缝主要分布在采空区内部，且平行于工作面，呈现出先张后闭的趋势。主断面地表点采动过程的移动轨迹见图所示。当开采进行到图中处时，开采影响波及到地表点犃，地表下沉速率开始增加，地表点受到拉伸变形，裂缝开始出现，该过程为第阶段；地下开采通过地面点犃时（图中处），下沉速率急剧增大，地面点移动方向近乎垂直，该过程为第 阶段；当工作面继续推进，远离地面点犃时，犃点移动方向逐渐与工作面中心相同，地面点受到挤压变形，此为第 阶段；当工作面远离地面点犃一定距离后，该工作面对地面点影响逐渐消失，此时地面点移动停止，为第 阶段。图采动过程中主断面地表点移动轨迹图 研究工作面上地表裂缝的动态发育过程见图所示，裂缝经历了较为明显的产生扩张减小的发育阶段，裂缝位于工作面边界处，将发育为永久性裂缝，后期开采活动停止后宽度将稳定下来。图研究工作面地表裂缝动态发育过程 采动灾害点建模使用 软件建立研究工作面地表的三维模型，在工作面选取三处进行 和 辅助三维模型的采动灾害点解译。滑坡遥感解译主要根据滑坡的平面形态、滑坡体、滑坡面和滑坡壁等要素对应的特征，通过色调、纹理等特征进行解译。塌陷主要根据其平面形态、色调、纹理等特征进行解译。图为研究工作面采动灾害点平面与三维的对照图，三组对照中，、组对照图为滑坡，第组对照图为塌陷。显然研究区的滑坡发育于陡坡上，因滑体沿斜坡向下滑移，于滑坡后壁形成弧形陡坎；在平面形态上，呈横宽大于纵长的弧形、扁圆形；滑坡边界多呈弧形，影像上滑坡棱线清晰可见；滑坡面呈波形、台坎状及弧形等形态，滑坡体上植被稀疏。地面塌陷以独立个体呈不规则圆形，其塌陷边缘在影像上清晰可见。山西煤炭第 卷图研究工作面采动灾害点平面与三维对照图 结论本文主要以山西阳泉矿区某工作面采动地表的地裂缝、滑坡和塌陷监测问题为研究对象，以飞马 无人机低空遥感获取的、三维模型为基础，结合实际情况、地质灾害遥感标志设计了多维目视解译地灾监测方案，结果如下。）根据研究区域地表的裂缝提取结果，能够清晰提取 的地表裂缝的发育长度、形态、延展方向等特征信息，准确识别研究区域平面、剖面裂缝形态，更容易掌握研究区裂缝动态规律。）和 辅助三维模型解译，能够精确识别研究区的滑坡、塌陷位置、边界和规模。将不同灾害的影像特点构建数据库，相似地质条件下可以减少图像的比对，大幅提高矿区地质灾害识别效率。）三维模型辅助 的裂缝目视解译方法和、辅助三维模型的滑坡与塌陷目视解译方法，精确识别研究区内主要地质灾害的类型、位置、范围。无人机提供的高分辨率原始数据增强了目视解译准确度，相比传统监测、卫星遥感存在易操作、易处理、高分辨率的优势，使无人机矿区地灾监测拥有广阔的前景。参考文献：张博，彭苏萍，王佟，等构建煤炭资源强国的战略路径与对策研究中国工程科学，（）：，“”，（）：唐跃文，燕淘金，王辉我国矿山地质环境现状与保护的新思路西部探矿工程，（）：，（）：肖武，陈佳乐，笪宏志，等基于无人机影像的采煤沉陷区玉米生物量反演与分析农业机械学报，（）：，（）：，（）：，（）：张鹏飞基于时序 技术的山区煤矿开采沉陷监测研究江苏：中国矿业大学，（）：，：，（）：，（），胡晓，李新举基于无人机的高潜水位煤矿区沉陷耕地提取方法比较煤炭学报，（）：第期员鸿燕，等：基于无人机的矿区采动裂缝遥感解译方法研究与应用，（）：汤伏全，芦家欣，韦书平，等基于无人机 的榆神矿区采煤沉陷建模方法改进煤炭学报，（）：，（）：刘辉，朱晓峻，程桦，等高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术：以安徽淮北绿金湖为例煤炭学报，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：廉旭刚，韩雨，刘晓宇，等无人机低空遥感矿山地质灾害监测研究进展及发展趋势金属矿山，（）：，（）：徐岩，胡振琪，陈景平，等基于无人机遥感的开采沉陷耕地质量评价及复垦建议金属矿山，（）：，（）：，：（），（）：，：，（）：侯恩科，张杰，谢晓深，等无人机遥感与卫星遥感在采煤地表裂缝识别中的对比地质通报，（）：，（）：赵毅鑫，许多，张康宁，等采动地表浅层隐蔽裂缝的无人机红外识别现场试验煤炭学报，（）：，（）：，：（），：（编辑：单婕）山西煤炭第 卷