无人机在尾矿库健康监测中的应用研究

黄立鑫，李旺平，凌 晴，周兆叶，李月锋

(1.甘肃省建筑设计研究院有限公司，兰州 730000；2.兰州理工大学 土木工程学院，兰州 730000；3.甘肃土木工程科学研究院有限公司，兰州 730000)

尾矿库是矿山工业生产中的三大控制性工程之一，同时也是矿区内具有高势能的重大危险源之一，通常为了便于尾矿库的施工建设，一般位于山谷之中，约90%的尾矿库采用“上游式”筑坝工艺[1-2]。目前，我国现有的尾矿库数量超过8 000座以上，总量位于世界第一[3]，根据专家估计，这些尾矿库中能够正常运行的只有70%左右，其中一部分已经成为危库和病库。近年来，我国发生了一系列尾矿库事故，造成了严重的经济损失和人员伤亡，并且对生态环境也造成了严重的破坏。2007年，辽宁鞍山尾矿库发生溃坝事故，造成13人死亡[4]；2008年9月8日，山西襄汾新塔矿业特大尾矿库溃坝事故，造成了277人死亡[4]；2010年9月，广东紫金尾矿库大坝坍塌事故造成直接经济损失达4.6亿元[5]；2020年3月，伊春钼矿尾矿库4号溢流井发生倾斜，造成依吉密河水受到污染，严重影响下游河流的水质安全[6]。

为了减少尾矿库溃坝、泄露等事故造成的严重后果，对其实施科学合理、实时有效的安全监测是尾矿库安全运营管理工作的重要内容，并对其危险性进行评价，为尾矿库灾害预防治理和防灾减灾救灾工作提供科学依据，有效地减少尾矿库灾害给人民生命财产和生产生活带来的损失。传统的尾矿库健康监测方法是通过人工现场调查，或利用传统的测量仪器获取尾矿库的几何位置、裂缝形变等信息，这种作业模式效率低、数据完整性不强，更不能实现三维可视化的分析。目前，随着3S技术和计算机技术的快速发展，无人机倾斜摄影测量技术也日益成熟，由于其具有作业高效率、运行成本低、机动灵活、适应复杂环境和能够获得高分辨率的影像等优点，已广泛应用于地形图测绘[7]、道路规划设计[8]、环境监测与保护[9]、地质灾害调查[10]和电力巡查[11]等诸多领域。

因此，文章基于无人机倾斜摄影测量技术获取某金矿尾矿库的正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)和实景三维模型等基础数据，对尾矿库进行淹没区域分析和库容量计算，进一步实现动态监测和综合管理，更好地掌握尾矿库的健康现状，为尾矿库灾害风险早期识别和预报预警提供重要的依据，对提高尾矿库灾害及其灾害链的综合监测、实施国土空间规划和自然灾害监测预警信息化工程等都有重要的意义。

1 数据获取研究

1.1 尾矿库概况

尾矿库位于甘肃省玛曲县境内，设计尾矿库属于四等库，库型为傍山型，堆坝方式为三面筑坝，坝体为不透水碾压石坝，初期坝高20 m，堆积坝高33 m，形成总库容量455.7万m3，有效库容量364.56万m3，尾矿库运行时间为2015年11月，设计年限为7.5 a。测区内平均高程3 350 m，地势起伏较大，尾矿库下游有大面积的草原牧场和居民地；地物种类稀少，主要以亚高山草甸草地、草原化草甸草地、草原草地低等矮植被为主。

1.2 像控点布设与测量

在尾矿库区域内选取地势较高、视野开阔、视场内障碍物的高度角不超过15°的区域均匀布设12个像控点，按顺序对其进行编号，测区内编号不能重复。像控点在实地用红色油漆喷制十字标记，宽10 cm，长40 cm，喷漆清晰平直、易于辨认，点位旁边标注点名。

基于卫星定位连续运行基准站网(CORS)为基础，通过GNSS-RTK观测的方法获取高精度的像控点坐标，其成果数据见表1。

表1 尾矿库测区像控点成果表

1.3 航飞设备与航线设计

航测采用大疆精灵Phantom 4 Pro四旋翼无人机进行影像采集，焦距为 8.8 mm，像元大小为1.4 μm，无人机设备如图1所示。

对尾矿库区域进行垂直和倾斜拍摄的飞行任务航线设计总共分为5条航线，依次编号为1～5，其中垂直拍摄的航高和倾斜拍摄的航高均为100 m；垂直拍摄的航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为70%，倾斜拍摄的航向重叠度设置为70%，旁向重叠度设置为60%，每条飞行航线的详细参数和相机参数如表2所示。

图1 无人机设备Fig.1 UAV equipment

表2 无人机飞行航线详细参数

1.4 数据获取

无人机航测任务准备工作完成后，选择太阳光线良好、无风的天气进行外业数据的获取。飞行过程中实时监测无人机的飞行状态与数据存储情况，保证飞行任务的顺利完成，本次无人机航摄共获取影像1 456张，经过内业飞行质量检查，剔除效果不佳的影像后获得原始无人机影像共1 428张。

2 数据处理与成果生成

本研究无人机影像内业基于Pix4D mapper软件对无人机影像进行自动处理，Pix4D mapper支持绝大部分相机，包括RGB、多光谱、热红外等数据，自动空三计算和区域网平差技术，采用全自动工作流，可以将从地面、轻型无人机或航摄的影像处理得到厘米级精度的二维地图、三维模型和点云数据。无人机影像内业处理流程如图2所示。

将尾矿库区域的航测影像导入Pix4D mapper软件进行处理，并根据POS系统提供的地面控制点数据，通过联合平差计算，并得到所有加密点的物方坐标，结合空三加密计算出的影像外方位元素，生产出数字表面模型数据(DSM)和数字正射影像图(DOM)，以及尾矿库区域的实景三维模型数据，如图3、4所示。

图2 无人机影像内业处理流程图Fig.2 UAV image graph and data processing

图3 DSM与DOM数据成果Fig.3 DSM and DOM data results

图4 尾矿库实景三维模型Fig.4 Real 3D model of tailings pond

3 尾矿库健康现状分析

尾矿库的容量是衡量尾矿库潜在危险程度的一个重要指标，随着尾矿砂的逐渐堆积，对尾矿库的安全性和稳定性产生巨大的影响[12]。本文从尾矿库容量和洪水淹没区域两个方面对尾矿库进行健康现状分析。设定尾矿库的最高蓄水高程为3 347 m，通过ArcGIS软件的数据分析功能计算洪水淹没区域，计算结果如图5所示。根据计算获得的淹没区域的数据，利用3D分析工具计算尾矿库的库容，计算结果如图6所示。

图5 尾矿库洪水淹没区域分析Fig.5 Flooded area of tailing pond analysis

图6 尾矿库库容量分析Fig.6 Tailings reservoir capacity analysis

综合图5、6可知，尾矿库现有的库容量为15.41 万m3；洪水淹没区域面积为6.63 万m2，占整个尾矿库面积的48.5%。该尾矿库运行时间为2015年11月，设计年限为7.5 a，有效库容量364.56万 m3。由此可知，该尾矿库由于常年尾矿砂的堆积，目前现状已经处于百万级堆积库，并且洪水淹没区域较大，若遭遇极端天气诱发强降雨或地质灾害等情况发生，尾矿库的危险级别极高。在后期的运行中，基于3S技术和计算机技术，结合自然资源大数据、无人机倾斜摄影测量和在线监测云平台等方法加强尾矿库的安全监测。

4 结论

尾矿库的健康监测是矿山生产运营稳定性和安全性的重要保障，在矿山安全管理工作中具有重要意义。文章根据甘肃省玛曲县某金矿尾矿库的健康监测需求，基于无人机倾斜摄影测量技术和GIS技术，获取了尾矿库的正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)和实景三维模型等基础空间地理信息数据，并通过GIS空间分析功能对尾矿库进行洪水淹没区域分析和库容量计算。结果表明，尾矿库现有的库容量为15.41万m3，洪水淹没区域面积为6.63万 m2，目前整个尾矿库的危险级别极高。通过无人机倾斜摄影测量技术可以在尾矿库健康监测中获取较为精确的基础数据，进一步实现尾矿库的风险评估和综合管理，为尾矿库的监测预警和防灾减灾救灾工作提供科学的数据服务。