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摘要：地表塌陷变形问题直接影响到矿业地上、地下作业人员以及周边居民群众的生命财产安全。因此，地质灾害和岩土工程领域一直将地表塌陷变形监测手段作为重点研究内容。本文旨在开展基于无人机摄影测量技术的地表塌陷变形监测技术研究。深度分析无人机摄影测量系统的内涵和优势，以首钢矿业公司位于迁安木厂口镇的杏山铁矿为例。探索无人机摄影测量技术在该铁矿地表塌陷变形监测中的应用。该研究供我国矿业及其他相关行业参考借鉴，充分发挥无人机摄影测量技术在地表塌陷变形监测中的优势。
关键词：无人机摄影测量,地表塌陷,数据处理
大面积的采矿活动作为人类获取生存、生产和发展资源的重要手段，已导致了大量地质灾害的出现，如地表沉降、尾矿库、山体滑坡等，其中地表塌陷是最为常见的灾害类型。随着科学技术的不断发展，现已将摄影测量技术应用于矿井地表塌陷变形监测。变形监测也成为预防地表塌陷不可或缺的基本工作。
1无人机摄影测量系统概述
摄影测量是指通过拍照形式获取研究目标的信息，然后通过软件计算处理，确定物体的形状、位置、大小等一系列参数。根据摄影距离不同，可将摄影测量分为显微摄影、近景摄影、地面摄影、航空摄影、航天摄影测量。而按用途划分，则可分为地形与非地形摄影测量两类。其中，地形摄影测量主要用于测绘基本地形、工业、考古、建筑、生物与医学、地质工程等方面问题；非地形摄影测量主要用于研究物体的形状和大小。当前的摄影测量技术不断发展，为矿井地表塌陷变形监测等领域提供了有力的技术支持。
无人机摄影测量系统隶属于目前资源开采领域内快速发展的摄影测量技术。其组成结构包括飞行系统、地面系统、任务荷载三大部分，且每个部分下都包含与其功能对应的子系统。在飞行系统中，包括微型无人机、飞控系统和传感器三个部分。微型无人机是整个系统的主要载体，而飞控系统则是整个系统的主导部分，包括导航仪、GPS接收设备和微型处理器，其重要职责是控制微型无人机的运动以及对相机的控制。传感器主要负责采集环境信息，接收地面系统发送的指令，并将采集到的信息发送给飞控系统，以便系统实时分析环境参数，保证微型无人机正常、稳定运行。在地面系统中，包括任务与监控系统、通信系统以及数据处理系统，是保证飞行系统处于正常作业状态且正常处理数据的模块。其中，任务与监控系统负责设计无人机的飞行高度、相机倾斜角、照片重叠率，并监控无人机的飞行状态。
2无人机摄影测量系统在地表塌陷变形监测中的应用优势
基于地质结构的复杂性，导致地下常年采矿所带来的地表塌陷变形监测问题一直以来都是业界深度研究的课题。就铁矿矿井而言，目前已被应用到地表塌陷变形监测的技术包括：简易观测、仪表观测、大地测量、三维激光扫描仪观测、GPS测量以及近景摄影测量。其中，简易观测法消耗大量成本，仪表观测与GPS观测成本过高，不适合小型开采工程。大地测量消耗时间成本与人力成本太高，且无法实现持续性长期观测。而三维激光扫描仅能基于三维模型进行大范围检测，而近景摄影测量则有较小的外业工作量，可以在不必接触变形区域的基础上获取变形体点维信息。与上述地表塌陷变形监测技术相比，无人机摄影测量系统具有以下优势：可以基于多旋翼无人机飞行平台对塌陷变形体进行摄影测量；不会造成人员伤亡或者其他不可逆转的损害；能够收集大量数据，实现对变形体的高精度检测与测量；且成本较低，能够满足小型开采工程的监测需求。
第一，无人机具备较强的机动性和灵活性，并且基本不会受到气候环境的影响。因此，即使在恶劣的天气下，无人机仍然可以开展影像数据采集。
第二，无人机可基于超低空飞行拍摄高分辨率照片。这种方式能够消除高层建筑对于摄影测量带来的不利影响，并且亦可弥补卫星遥感测量易于受到云层遮挡的图像缺陷问题。
第三，无人机不会受地形影响，并且基于无线远程控制的形式，可以适应各种地质灾害和复杂地形。
第四，无人机摄影测量系统搭载高精度数码相机，摄像分辨率可高达厘米级别。同时，它能够从多个角度对被测区域进行拍摄，基本上没有死角。
第五，与GPS测量、仪表观测和三维激光扫描相比，微型无人机测量具有更低的作业成本，而且即使出现故障，也不会对作业人员造成伤害。
3基于无人机摄影测量技术的铁矿地表塌陷变形监测研究
3.1工程概况
杏山铁矿位于河北省唐山市迁安市木厂口镇，隶属于首钢矿业集团，成立于2006年7月。从2006年7月到2011年6月，杏山铁矿为露天开采铁矿。2011年7月开始转为地下开采，成为首钢矿业集团首个地下开采矿山。矿山的生产能力一直稳定在每年320万吨，成为我国仅次于梅山铁矿的大型地下矿山。
山铁矿采用无底柱分段崩落法，分段高度为18.75m，进路间距为20m。经过多年的深入开采，杏山铁矿露天塌陷区域一直在扩增，其中一期塌陷区错动线面积为770657.6m2，长度为3227.5m，二期塌陷区错动线面积为986429.8m2，长度为3649.1m。塌陷区最低点标高为13.1m，最高点位于踩坑南侧，标高为261.8m。杏山铁矿一期开采采用主副井斜坡道，开拓工程下包含1条主井、1条副井，同时还包括通地表斜坡道、金风景、东风井、西风井各1条。主井为箕斗井形式，井口、井底标高分别为132.0m、-484.749m，井筒直径为Φ5.5m。主井在服务到-330m阶段水平时主要承担矿岩提升任务，在生产期间安装了一台JKM4×6多绳摩擦轮提升机，采用10m3双箕斗提升，电机功率为4000kW。副井采用罐笼井形式，井口、井底标高分别为132m、-519.6m，井筒直径为Φ6m，服务至主井粉矿清理水平。副井主要承担人员、废石、粉矿、材料与设备提升任务。生产期间，管、缆均布置于副井内。
3.2信息采集
基于微型无人机对杏山铁矿地表塌陷变形监测的需求，拍照前需要首先在监测区域布置测控点。为此，针对测控点的测量设备选择GPS接收机，其中一台接收机布置于基准点，长时间固定，作为控制点，其余GPS接收机则分别布置在不同监测点上，并相应记录时间点。为减小测量误差，工作人员在正方形区域内设置人工标记点，将区域划分为4小块，每一块设置水泥柱标志，同时规则地布置钢筋水泥柱。考虑到杏山铁矿塌陷区表面不稳定的特性，我们特别选定数量适当的水泥柱作为控制点，将人工标志固定在稳定的水泥柱上，并以GPS坐标作为标准进行杏山矿区塌陷区域建模，对塌陷区域地表情况进行精密分析。
开展地表控制点测量。本次针对杏山铁矿，选定了6个地表控制点，并使用GPS接收仪进行了坐标测量。分别在2021年6月23日、7月24日和8月25日进行了三次测量，所选控制点为XT1#桩、XJ2-2#桩、XJ2-3#桩、XT1-1#桩、XT2-4#桩、XS4-12#桩。其中，2021年6月23日测量的结果如下：XT1#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4422907.613、504051.204、154.742；XJ2-2#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423145.181、503853.881、107.959；XJ2-3#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423182.571、503875.011、132.029；XT1-1#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423279.018、503330.09、240.709；XT2-4#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423001.713、503177.713、263.563；XS4-12#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4422389.493、503097.361、278.047。2021年4月24日的测量结果如下：XT1#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4422907.614、504051.203、154.741；XJ2-2#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423145.182、503853.882、107.958；XJ2-3#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423182.571、503875.0098、132.028；XT1-1#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423279.016、503330.088、240.708；XT2-4#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423001.715、503177.716、263.563；XS4-12#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4422389.495、503097.363、278.046。最后，2021年8月25日的测量结果如下：XT1#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4422907.612、504051.204、154.74；XJ2-2#桩控制点的X、Y、Z-GPS坐标分别为4423145.181、503。
再次进行航线规划和影像采集。在航摄飞行设计阶段，需要考虑飞行器和照相机设备的性能，还需要综合考虑所测地形、高差和地势，并遵循经济性和高效性原则对航高进行协调。最终，确定在晴天的上午10：00至下午16：00开展航摄任务，并采用大疆MAVIC 3E微型无人机作为飞行器。在航摄阶段，我们首先会选择空旷的场地进行相关设备检查，确认设备处于最佳工作状态后，按照以下流程开展操作：
(1)开启微型无人机与遥控器电源。
(2)设置相机参数，包括快门、曝光、ISO。
(3)开启Altizure应用，进入到数据采集功能，若显示连接失败，则检查遥控器与收集是否成功连接，并重新启动遥控器与微型无人机。
(4)设置飞行参数，设置25m飞行高度，横向重叠率设置为80%，旁向重叠率设置为80%，第2、3、4、5航线的相机倾斜角度设置为30°。
(5)微型无人机起飞拍照，需点击应用界面的无人机起飞图标。当任务上传完成后，微型无人机自动起飞开展数据采集。在完成阶段性任务后，无人机会自动返航并降落。此时，工作人员会检查无人机电池电量，确认是否需要更换电池。确认无误后，便可以开始下一段飞行任务。
(6)人工拍照补充，在拍摄阶段，部分区域通过Altizure应用程序自动规划航线无法实现清晰拍照，此刻需要工作人员手动拍照。
(7)完成摄影后进入应用程序下载数据，并检查影像质量，包括照片重叠率检查、相机倾斜角度检查、照片覆盖面积检查。
3.3数据处理
数据处理分为三维建模和位移沉降分析两大步骤。首先，使用建模软件处理无人机拍摄的照片。本次任务以杏山铁矿二期塌陷区错动线为对象，采用ContextCapture软件进行处理。该软件可以直接生成三维模型，并能够测量模型长度、高程差和监测点坐标，生成点云信息。具体处理流程如下：①新建工程；②导入照片；③添加控制点；④提交控制任务；⑤进行立体建模；⑥生成DEM、DOM。通过ContextCapture软件生成点云图和基于点云图的TIN模型。
其次，进行位移沉降分析。本次共开展了三次拍摄，面向杏山铁矿一期塌陷区。首先，使用三次测试航摄获取的照片分别建立三维模型，随后利用模型算解各控制点的坐标，基于ContextCapture软件生成三维模型las文件格式，并提取点云信息。在该过程中，利用CloudCompare进行las点云文件投影抽稀处理，将点投射到二维划分网格内，得到三次模型内各点的坐标。接下来，为了分析地表塌陷区域的沉降情况，从三个模型中提取y=503875m、y=503895m和x=4423145m三个坐标剖面线上相应点的三维坐标，并分析其高程在三次监测下出现的变化。
最后，对沉降变化数据进行总结。第一，基于三次测量获取的y=503875、y=503895、x=4423145m剖线高程数据进行对比，发现在y=503875的剖线下，在x=4423135~4423155m范围内，第二次测量沉降位移相比第一次测量数值较大。经过分析发现，该区域隶属边坡底部区域，受到沉降位移变化的影响相对明显。同时，在7月，杏山铁矿经历了连续雨天，也加快了地表塌陷区域的沉降速度。第二，在y=503895m剖线下，二次和三次测试的沉降位移均为0.2m。进一步分析发现，该剖面所处区域相对平坦，沉降相对稳定，导致动因较小。第三，在x=4423145m剖线下，y=503730m~503855m区域内，二次测量沉降位移相比三次测量较小。深入分析后，发现杏山铁矿在7月中下旬开始开采矿体，因生产单位采用无底柱分段崩落法，开采区域位于该区域下方，并且7月为多雨季节，从而导致塌陷区的沉降速度增加。但在y=503730m~503855m区域内，二次和三次测量的沉降位移值基本相似，没有明显的沉降变化情况。
4铁矿地表塌陷变形监测注意事项
应用无人机摄影测量技术对铁矿地表塌陷变形进行监测时，有许多影响测量精度的因素。这些因素包括分辨率、安置误差与基本误差。
4.1合理调整分辨率
作为相机的重要参数，分辨率直接影响摄影测量的精度。分辨率表示相机的成像系统对于照片图像最小像素的区分能力，具体可划分为水平与垂直两种物面分辨率，同一相片内两种物面分辨率相等。如果在照片中单个像素占用较大的面积，则意味着物面分辨率较低，从而影响精度，式1给出了精度与分辨率二者的关系。因此，在测量阶段，应当使用分辨率较高的相机，以保证测量精度。
4.2避免安置误差
在大量摄影测量工作开展期间，为了保证测量工作的顺利开展，可能需要使用附属测量设备。在进行铁矿地表塌陷变形监测阶段的摄影测量时，附属设备的精度经常会影响测量精度。因此，在测量作业开展阶段，为降低安置误差的影响，首先需要对附属设备的精度进行校核和加强管理。其次，应加强作业人员的培训，确保他们熟练掌握测量技术，以有效控制安置误差。
4.3避免畸变误差
通常，无人机摄影测量中使用的相机可以分为量测型和非量测型相机。其中，量测型摄影测量相机是专门为摄影测量产业设计的设备，产生的畸变误差在应用阶段可以忽略不计。而非量测型摄影测量相机，例如市面上常见的数码相机，并不是专门为测量行业设计的产品，但由于成本较低，因此仍然广泛应用于摄影测量行业。由于非量测型相机具有较大的畸变误差，通常难以获取内方元素且性能不稳定，因此会对摄影测量元素求解的正确性造成影响。
当小规模铁矿项目因成本限制而采购非量测型测量相机时，应及时进行相机标定，以解决畸变误差的问题。为此，可以采用传统的一维标定物品、明面标定物、三维标定物标定方法，或者主动视觉标定、相机自标定、张氏棋盘格标定方法来有效减少或消除畸变误差的不良影响。其中，一维标定物品、明面标定物、三维标定物是传统相机标定方法。主动视觉标定是指利用相机的已知运动信息来实现标定，通过让相机开展特殊运动而无需使用标定物，随后计算相机内参数来实现标定。相机自标定对相机的运动有较多的约束，但可以基于消失点自标定。本次针对杏山铁矿的无人机地表塌陷变形测量采用了张氏棋盘格标定方式，在不同方位下对标定板进行拍照，随后以每一张照片单元矩阵求解相机的畸变参数。这样可以有效地修正相机畸变，提高测量的准确性。
5结语
将无人机摄影测量技术应用于铁矿地表塌陷变形监测具备成本低、适应性强、精度高的特点。目前，我国多个矿业公司已经采用基于无人机摄影测量的监测方法，并且取得了良好的效益。需要注意的是，在应用无人机摄影测量技术过程中，除了飞行器的飞行高度和相机的倾斜度之外，还需要掌握其他对于技术精度造成影响的要素。只有在全面提升无人机摄影测量技术的水平之后，才能够充分发挥其优势，在矿山地表塌陷变形监测中保障了矿区的稳定和安全生产。
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