煤礦的開采隨著礦井煤炭容量的降低，整個(gè)礦井地質(zhì)表 面的承受能力也在逐步下降，在礦井開采晚期即稱為尾礦， 尾礦產(chǎn)生了大量的廢棄物，其中包含礦物質(zhì)提取物的固體顆 粒以及水和混凝劑和絮凝劑等附加成分的混合物，往往會(huì)造 成礦區(qū)環(huán)境污染。特別是，由于潛在的滲水、泄漏和大壩倒 塌，傳統(tǒng)的泥漿形式的尾礦存儲(chǔ)會(huì)對(duì)尾礦的質(zhì)量造成嚴(yán)重的 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，并且煤礦地面塌陷的主要原因就是尾礦問(wèn)題處理 不當(dāng)造成的，因此合理處理尾礦以及利用遙感探測(cè)技術(shù)對(duì)監(jiān) 測(cè)區(qū)域的地質(zhì)變化進(jìn)行分析研究成為解決采煤地面塌陷問(wèn) 題的主要解決手段之一。

相關(guān)學(xué)者對(duì)煤礦地面塌陷問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并提出了各種解決方法，主要包含尾礦處理方式、地面遙感探測(cè)等。文獻(xiàn)中提出采用脫水手段將尾礦連續(xù)體從低粘度流體變?yōu)楦雍隣畹臓顟B(tài)，同時(shí)，該手段會(huì)增加尾礦的固結(jié)速率（由于排水造成的體積減少）和尾礦堆的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)中提出了一種新的尾礦泥漿處理技術(shù)，該技術(shù)具有沉積角度大，土地占地面積減少，堤岸升高的頻率減少，滲透和穩(wěn)定性 問(wèn)題減少以及材料分離度降低等優(yōu)點(diǎn)。然而對(duì)于低溫條件下的尾礦處理技術(shù)研究較少，與傳統(tǒng)的泥漿儲(chǔ)存方法相比，使用泥漿技術(shù)沉積尾礦需要更多的投資和更高程度的礦山管理，礦山管理作為解決地面塌陷的主要手段，提升管理水平對(duì)于減少尾礦損失由顯著效果，文獻(xiàn)中 Rico等人研究了尾礦造成采煤區(qū)地面塌陷的兩個(gè)原因：一是氣象事件，如極端降雨和融雪;第二個(gè)最常見的原因是管理不善。對(duì)于極端天氣可能會(huì)對(duì)尾礦蓄水層產(chǎn)生較大的影響，如在較 為寒冷的地區(qū)（像我國(guó)的東北地區(qū)），寒冷氣候下的凍結(jié)溫 度，可能會(huì)引起在蓄水層內(nèi)形成永久凍土層，長(zhǎng)期凍土可以 在基質(zhì)保持凍結(jié)的同時(shí)增加尾礦的強(qiáng)度，但在解凍時(shí)（例如 由于氣候變化），它會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，特別是在上游堤防上升的情況下。利用現(xiàn)代遙感技術(shù)來(lái)支持對(duì)采煤地面塌陷的監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)對(duì)尾礦的蓄水量進(jìn)行遙測(cè)， 國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的相關(guān)研究介紹如下。

利用無(wú)人機(jī)（UAV）結(jié)合運(yùn)動(dòng)回復(fù)結(jié)構(gòu)（Structurefrom Motion，SfM）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)攝影測(cè)量— 所謂 SfM 是一種從計(jì)算機(jī)視覺和傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展而來(lái)的低成本地形測(cè)量技術(shù)，可快速生成3D 模型。文獻(xiàn)采用 UAV-SfM 應(yīng)用于繪制各個(gè)領(lǐng)域的地表位移，如冰川學(xué)和滑坡監(jiān)測(cè)等。對(duì)于采煤地面塌陷領(lǐng)域的研究較少，本文利用無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)采煤區(qū)域地面變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)四次的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量活動(dòng)從而收集數(shù)據(jù)，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）測(cè)量以評(píng)估無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用 SfM 技術(shù)生成數(shù)字高程模型（DEM）和點(diǎn)云;通過(guò)生成差分 DDoS（DEMsofDifference）來(lái)估算礦井地面沉降，評(píng)估了 DEM 相對(duì)于 GNSS 測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 研究方法介紹

1.1 研究條件背景介紹

采用四架無(wú)人機(jī)分別在在3月、5月、7月、9月進(jìn)行了四次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量設(shè)備配置如表1所示。

第一次監(jiān)測(cè)事件是在3 月5 日進(jìn)行的，搭載一臺(tái)配備1 200萬(wàn)像素（MP）佳能 PowershotSX260 HS 相機(jī)的 Cryow- ingScout固定翼無(wú)人機(jī)，飛行高度約為300 米，平均地面速度約為20 米/秒。共獲得664 張照片，地面分辨率約為 10厘米/像素。第二次監(jiān)測(cè)事件是在5 月15 日進(jìn)行的，使用無(wú) 人機(jī)搭載22毫米鏡頭的18MP 的佳能 EOS M 相機(jī)，無(wú)人機(jī) 飛行高度設(shè)定為150 米，平均地面速度約為15 米/秒，整個(gè)采集過(guò)程共獲取376張照片，圖像分辨率約為3 厘米/像素。在該兩個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)分別完成了12 個(gè)和15 個(gè)地面關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān) 測(cè) （Ground ControlPoints，GCPs），通 過(guò) GR-5 RTK GNSS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

7月和9月分別搭載索尼CyberDSC-RX1RII無(wú)反光鏡相機(jī)，配備42萬(wàn)像素全畫幅傳感器和35 mm 固定鏡頭。鏡片，兩次監(jiān)測(cè)的飛行高度大約為150 m，目標(biāo)飛行速度為14米/秒。分別收集了894 張和711 張照片，在該期間的 GCP用SLC 多功能 RTK GNSS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。在七月的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，收集了20個(gè) GCP，如圖2所示。

圖1 不同時(shí)間監(jiān)測(cè)的GCPs分布圖

圖2 遙感監(jiān)測(cè)過(guò)程圖

在9月份的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，收集了11個(gè)新的 GCP，并且有 8個(gè)現(xiàn)存的保存完好的 GCP 被重新使用，利 用 R8 RTK GNSS接收機(jī)在所檢測(cè)的采煤地面區(qū)周圍的服務(wù)道路收集了189個(gè) GNSS 地面檢查站，這些區(qū)域是相對(duì)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè) 點(diǎn)，因此，這些測(cè)量結(jié)果可以用于估計(jì)采用 SfM 方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

根據(jù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的需求，整個(gè)遙感監(jiān)測(cè)的過(guò)成描述如圖2 所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用 AGIDOFTPhotoscan軟件進(jìn)行處理每個(gè)監(jiān)測(cè)活動(dòng)的照片，該軟件采用SfM 攝影測(cè)量技術(shù)生成密集點(diǎn)云及數(shù)字高程模型（DDEM），使用 GCP 來(lái)改善正射校正，如表2所示。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于5 月收集的一個(gè) GCP 和7 月收集的一個(gè) GCP，發(fā)現(xiàn)輸入坐標(biāo)與根據(jù)圖像估計(jì)的坐標(biāo)之間的距離（即估計(jì)的方位誤差）比其他點(diǎn)高一個(gè)數(shù)量級(jí)并在處理過(guò)程中被丟棄。

采用 CloudCompare中進(jìn)行了不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的配準(zhǔn)，并進(jìn)行了手動(dòng)調(diào)整，并采用了ICP 算法的內(nèi)置“精確配準(zhǔn)”工具。方法介紹如下：

（i）模型構(gòu)建，模型突出圍繞采煤區(qū)域頂部建立的大概穩(wěn)定的服務(wù)道路;

（ii）在精確注冊(cè)中利用相應(yīng)的點(diǎn)云分段。易于識(shí)別的地形標(biāo)志首先用于手動(dòng)注冊(cè)，然后使用ICP 進(jìn)行注冊(cè)優(yōu)化;最后，將路段的迭代變換矩陣用于全數(shù)據(jù)集的配準(zhǔn)過(guò)程。

將九月的數(shù)據(jù)用作協(xié)同注冊(cè)點(diǎn)云的基線以及收集的189個(gè) GNSS檢查點(diǎn)。注冊(cè)后，點(diǎn)云之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)差異統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)被導(dǎo)出以供進(jìn)一步分析。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為全分辨率DEM，并通過(guò) ArcGIS10.5地圖比較 GNSS地面檢查點(diǎn)來(lái)評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量。最后，生成1 米/像素分辨率光柵 DEM，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)可視化并消除異常值。通過(guò)計(jì)算各個(gè)高程模型之間的逐像素高程差異，在 ArcGIS10.5 中生成突出顯示地面位移量差異的 DEM 的值 ΔZij 如式（1）。

ΔZij = Zij，1 -Zij，2 （1）

其中Zij，1 是時(shí)間t1 期間像素ij 的高度，Zij，2 是時(shí)間t2 期間像素ij 的高度，并且t2 》t1 。

2 結(jié) 果

利用無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品是非常高分辨率的正射影像圖，密集點(diǎn)云和柵格DEM。由于飛行高度降低和攝像機(jī)質(zhì)量提高，產(chǎn)生的地面分辨率從3 月到9 月得到了提升，地面檢查點(diǎn)與表3中 DEM 值之間的比較表明，地面分辨率的提高伴隨著垂直精度的提高。平均誤差的計(jì)算 結(jié)果——— 數(shù)據(jù)共同登記，而平均絕對(duì)誤差則更好地突出了單個(gè)DEM 的內(nèi)部準(zhǔn)確性，如表3所示。

表3 采集結(jié)果平均誤差記算表

通過(guò)記錄采煤地面變化數(shù)據(jù)，因此對(duì)于常見的礦產(chǎn)開發(fā) 環(huán)境形成的尾礦主要以尾礦蓄水池的變化判斷礦井地面變 化情況。通過(guò)證明，利用無(wú)人機(jī)可以有效、快速、經(jīng)濟(jì)及高效 地監(jiān)控尾礦地質(zhì)在分米范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在主動(dòng)采礦階段，監(jiān) 測(cè)蓄水區(qū)的尾礦庫(kù)容并優(yōu)化處理技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)意義。

本文所采用的機(jī)遇SfM 方法結(jié)合 UAV 搭載具有以下意義：

1）可作為尾礦表面剖面繪制的有效工具

2）可作為計(jì)算尾礦蓄水池蓄水量的數(shù)據(jù)來(lái)源;

3）可作為預(yù)測(cè)未來(lái)更具體地的需求，例如可為礦井維護(hù)工作提供支持。

從地質(zhì)技術(shù)的角度來(lái)看，UAV-SfM 方法可以幫助優(yōu)化處理方案，例如，它可以幫助決定將蓄水池中的尾礦泵送到哪里，以便盡可能有效地利用儲(chǔ)存能力并檢查尾礦表面坡度。該方法適用于監(jiān)測(cè)尾礦表面的變化，但并不能最終解釋變化的原因。

然而在實(shí)際使用 UAV-SfM 方法時(shí)也會(huì)有一些限制。例如在亞北極地區(qū)（如我國(guó)的東北地區(qū)），測(cè)量的時(shí)間受到限制。由于雪蓋掩蓋了地表能見度，尾礦表面每年可能被雪覆蓋的周期大約在半年時(shí)間，這就表明 UAV-SfM 方法無(wú)法取代冬季期間的其他監(jiān)測(cè)方法。同樣強(qiáng)降水和融雪水覆蓋也可以防止或限制無(wú)人機(jī)的測(cè)量;此外，在限制訪問(wèn)的區(qū)域工作時(shí)，應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)處理之前可能會(huì)被忽視的可能問(wèn)題（例如，GCP 的布置不合理或者布置點(diǎn)太少），一種選擇是在現(xiàn)場(chǎng)制作低質(zhì)量模型，并在需要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量;而對(duì)于常規(guī)維護(hù)操作中應(yīng)用的方法、工作流程和處理均可簡(jiǎn)化，如在正常操作中，使用固定和精確測(cè)量的 GCP 及無(wú)人機(jī)飛行、相機(jī)和處理參數(shù)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)在一段時(shí)間內(nèi)得到優(yōu)化。

3 總 結(jié)

本文主要以實(shí)際實(shí)例介紹了無(wú)人機(jī)結(jié)合 SfM 技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)字高層模型（DEM）在一年的4 個(gè)月份進(jìn)行了采煤地面區(qū)域的地質(zhì)變化情況，通過(guò) DEM 與 GCPs之間的點(diǎn)對(duì)柵格比較表明，垂直平均絕對(duì)誤差從3 月到9 月發(fā)生了下降，主要原因是地面分辨率（攝像機(jī)質(zhì)量和飛行高度）提高以及越來(lái)越多的 GCP 分布。在數(shù)據(jù)共同注冊(cè)中使用諸如服務(wù)道路之類的穩(wěn)定區(qū)域被證明是用于精細(xì)注冊(cè)和映射相對(duì)變化的

合適方法，證明了采用無(wú)人機(jī)搭載各類遙測(cè)設(shè)備獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是足夠準(zhǔn)確的。

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