无人机航测矿区地质灾害调查系统的开发与应用

张自宾

1 引言

同煤集团有着悠久的开采历史，随着石炭系煤田的开采，井下采煤的深度、厚度均发生了变化，地质灾害发生的频率、影响范围、灾害程度等均有加大的趋势，地质灾害调查工作的难度也随之加大。以往采用传统人工测量及人工野外调绘等测绘方法只能获取部分点、线状地质灾害要素，且工作量大、效率低、数据离散、时效性差、盲区无法覆盖等问题。本文针对同煤集团大同矿区的特殊地理地貌，采用无人机航测技术进行地质灾害调查，开发设计了一套完整的地质灾害调查系统，实现了地质灾害调查任务分发、反馈与上报等功能，并得到了广泛的推广与应用。

2 无人机航测系统

传统地质灾害调查多采用人工排查的方法，因矿区面积较大，人工排查仅是点、线的排查，井下一个盘区对应地表排查时间约一周左右，存在排查时间长，排查地点不全面等缺点；常规航测为有人驾驶飞机，但因航拍比例尺小，成本高等问题，在地质灾害调查中很少采用。无人机航测可成制大比例尺地形图，成本低，机动灵活，特别是在雨季三防期间，对不良地质地，地质灾害隐患点等可实时多期航拍，第一时间获取现场数据，为地质灾害预测预报工作提供了一种新的方法。

2.1 影像获取

无人机航测系统由影像获取和数据处理两大部分组成，此次地质灾害调查所使用的无人机系统以大疆旋翼机—M600飞行平台专业定制而成，相机选用DJIZenmuse X5，该套飞行平台其主要特点是通过A3飞控系统以及Lightbridge图传系统，可以全面提升系统的可靠性和操控性。

无人机航测影像数据获取的主要流程包括任务需求分析、资料收集与整理、飞行场地选择、飞行方案设计、起飞前和着落后飞行仪器检查、飞行质量和数据质量检查、飞行资料整理等步骤，见图1。

图1 无人机影像获取流程图

影像数据获取后，数据传输可分为非实时传输、现场传输处理、网络数据回传等方法。非实时传输需往返数据处理中心，受距离的影响；网络数据回传受网络上行速度的因素制约，如果采用4G网络数据回传，一架次数据回传总耗时3 h左右。

在雨季三防应急调查期间，为第一时间获取准确数据，可采用现场传输处理或网络数据回传方法。现场传输处理采用高性能工作站处理数据，需2 h左右，采用网络数据回传，约4 h左右，相比传统的人工调查，此方法提供了一种高时效性、高精度的调查方法。

2.2 、数据处理

在航测外业工作完成后，选用Agisoft Photo Scan影像处理系统作为相片的制作处理工具，对航测图像进行处理，完成航片选取、照片导入、对齐、照片拼接、专题图生成等主要步骤获得正射影像图，还可以提取各种成果数据，如DEM（Digital Elevation Model-数字高程模型）、以及点云数据等[1.2]。再通过进一步影像解译，获取地表塌陷、裂缝等地质灾害信息。

3 矿区地质灾害调查系统设计与开发

“矿区地质灾害调查系统”（以下简称：系统）是融合了无人机影像采集∕处理、地理信息系统（GIS）、智能终端APP、大数据分析∕展示等技术的综合信息化平台。应用于对矿区地表的裂缝、塌陷区、老窑口等地质灾害隐患（问题）的发现及监测。

整个系统总体结构分为三大部分：任务管理、日常巡查、系统设置。设计开发语言为：Java-JDK 1.7，数据库选用Oracle 11g，服务器架构在集团公司地质处，方便日常管理与使用[3-4]。为了方便调查人员及时上报灾害信息，开发了基于安卓系统手机版的智能终端APP：地质灾害调查系统。

图2 地质灾害调查系统登录界面

3.1 服务器端系统各部分主要功能

任务管理主要是向工作人员分配任务以及查看任务反馈信息，工作人员通过分配设定好的账户密码登录：地质灾害调查系统，领取任务，完成后及时上报任务反馈信息。

日常巡查主要实现信息展示，地质灾害隐患地点的列表管理以及相关活动的记录上报。

系统设置可以实现区域、机构、用户、角色、菜单等管理功能，以及运行日志记录。见图3。

图3 地质灾害调查系统功能

3.2 智能终端APP：地质灾害调查系统

现场勘查人员通过此APP应用可以记录隐患的各类信息（如位置、类型、描述以及图形影像），并将获取的信息传回中心服务器管理，也可以接收中心下达的检查任务并执行、反馈[5]。见图4。

图4 APP初始界面及功能演示

4 系统应用情况

本系统管理单元在同煤集团地质处，各生产矿井分别设立了专用账户，并进行了运行测试及管理人员单独操作培训，通过日常使用，该系统可以有效的满足日常工作，运行稳定。以下是同煤集团同忻矿8203工作面采用无人机航测技术进行地质灾害调查，以及现场人员接收到任务并通过智能终端APP实地反馈至地质灾害调查系统的过程。

1）、根据任务要求，提前设计规划飞行区域，采用WGS84坐标，标定测区在地图上的位置，区域南北向长约2 200 m；东西向宽约400 m；面积约0.9 km2。

2）、为了获取整个区域的影像，确定飞行高度为100米进行区域拍摄。

3）、将航拍获取的影像数据进行拼接、纠正、色彩调整、镶嵌等处理，获得区域正射影像图，通过图像解译，初步确定地质灾害的类型及位置信息，见图5。

4）、根据已有位置信息，采用低于40 m的航高详细调查地质灾害的类型、范围及程度。

5）、工作人员通过地质灾害调查系统接收到任务指令，到达地质灾害点，使用智能终端APP完成任务上报工作。

各生产矿井登录系统，查询地质灾害信息，便可完成灾害点的治理工程。

图5 正射影像图（8203工作面区域）

5 结束语

本文采用无人机航测技术实现了大同矿区地质灾害调查工作，改变过去人工拉网式的调查方式，提高了调查工作效率，而且能够覆盖人工调查无法到达的盲区，通过与井下采掘情况对比，可以进一步分析研究井下采动引起的地质灾害分布规律，既可实现对矿井周边地质地貌的大范围快速普查，又可高效获取高清晰度的地貌照片，清晰分辨出常见的地质灾害，大大增强了地质灾害调查效率，为现代化地质灾害调查工作提供了一种先进的、有实用价值的技术手段，但无人机续航时间短，地面控制站有效距离5 Km以内，有望在今后的续航和控制传输距离的增加以及多架飞机协同作业，来提高工作效率。本文设计开发了“矿区地质灾害调查系统”，以及智能终端APP，实现了对矿区地表的裂缝、塌陷区、老窑口等地质灾害隐患（问题）的发现及监测，为大同矿区地质灾害普查和治理工作提供了有力依据，在以后的地形地貌数据获取、矿山地质灾害调查、土地调查复垦等方面可以发挥重要的作用，从而更好地推动矿山建设与可持续发展。