多技术融合的采空区调查研究

宋增巡

（华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066000）

0.引言

临汾是山西省重要的矿产和能源基地，煤、铁、石膏等资源储量丰富，对各种资源的开采利用已经有近千年的历史。特别是近百年来，随着长期大规模、高强度的开采，形成了大面积采空沉陷区，对矿区的土地利用、土壤结构、地表设施、地下水体及矿区地质环境造成了极大破坏，对矿区生态环境和人民生活产生极大地影响。为了推进区域可持续发展，促进生态文明建设，探索对采空沉陷区综合治理的统筹规划和科学评估机制。受地方主管部门的委托，本单位先后启动了石膏矿、煤矿采空沉陷调查监测工作。随着测绘科学的发展，智能化的地理空间信息数据采集与融合技术，成为采空沉陷调查与监测的主要技术手段。

本文通过倾斜无人机技术获取采空区地形图信息，利用无人船水下测量技术获取采空区积水区域水下地形图。这两种技术的融合实现了采空区全区域地形图的获取。D-InSAR技术与GNSS远程监测预警技术相结合实现采空区监测，大大提高作业效率的同时，精度也有保证。

1.多技术融合的采空区全要素地形图采集

对采空沉陷区域的调查，除了要进行成矿因素、开采参数、采空区形成等背景因素的调查外，最重要的是获取精准的采空区地形信息，利用现代智能化空间信息技术，对采空区域地表信息进行采集。

1.1 GNSS数据采集技术

传统的地表信息数据采集主要采用数字化地形测量技术，它是以全站仪(或GPS接收机)和计算机为核心，连接绘图仪等输入输出设备，实现野外地图测绘的自动化和数字化的过程，是长期以来人们建立地表地理信息模型的重要环节和基础。以RTK技术和免棱镜全站仪技术相结合的全野外数据采集是近十年来比较成熟的地表地形数据采集技术，特别是卫星定位连续运行参考站系统（CORS）的发展和我国北斗卫星导航系统（BDS）的投入，使得全野外数据采集具有更加精准、实时、快速的特点，数据采集的效率和精度有了质的飞跃，在沉陷采空地表信息采集中也起到了较为重要的作用，但是，由于沉陷采空区具有分布范围广、分布零散、地形复杂等特点，全野外数据采集需要作业人员付出大量的野外体力劳动，采空边沿、积水区等区域无法保障作业人员的安全，作业效率受到一定的影响。

1.2 无人机摄影测量技术

无人机低空摄影测量技术以获取高分辨率数字影像为应用目标，以无人驾驶飞机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，通过3S技术在系统中的集成应用，最终获取小区域、真彩色、大比例尺、现势性强的航测数据。采空沉陷调查中，采用无人机低空摄影测量技术，主要利用其机动、快速、经济等优势，快速获取地表信息数据，从而将大量的野外工作转入内业，既能减轻劳动强度，又能提高作业的效率和精度。

以临汾某矿区为例，该矿采矿方法为留矿采矿法和分段空场法，两种采矿方法设计的采出矿石比例为2∶8，采用留矿采矿法开采过程中，顶板稳定性差，安全性得不到保障，矿山目前仅有两个采场采用留矿法进行开采，其余采用分段空场法开采。矿山在采矿过程中，在矿山沟设置了两个永久保安矿柱，矿山沟以东至无名沟地段的矿体都进行了“三柱”回收以及围岩崩落工作，该地段采空区已与地表塌透贯通，大量崩落围岩进入采空区，并在3002m中段形成了大于30m的岩石缓冲层。3002m地段开采的Ⅱ、Ⅲ号矿体厚度大于5m则采用分段空场采矿法回采，并进行了“三柱”回收工作，在三柱回采爆破的同时，采取了崩落围岩形成采空区缓冲层的方式治理空区。

为满足本次采空沉陷调查，主要采用EBEE-RTK固定翼无人机摄影系统，该系统搭载的五镜头分辨率为8868×5792，其中地面分辨率达到了1.8cm。航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%。为了保证空三的稳定性，可适当将旁向重叠度提高至80%。在地面分辨率与航高保持不变的情况下，航带间距可降至57m。飞行参数的设计（如图1所示）。像控点测量可采用城市CORS系统获取图根级以上控制点，在测量控制点过程中，依据相关规范制定像控点间距为300m为宜。自行控制飞机实施按照设定的路线起降、飞行和摄影。飞行中，其具有的RTK技术可以直接在CORS环境下实时采集摄站点的三维坐标和姿态数据，经过必要的数据纠正，形成高精度的POS数据，辅以少量的像控点，可以直接进行空三加密平差计算，成果经检查后提供内业使用。

图1 低空航空摄影飞行参数设计

飞行后，内业利用ContextCapture Center Master摄影测量系统数据处理软件，实现从影像匹配、空三平差及DOM、DSM数字成果生产的全过程流程，为沉陷区调查提供多源多媒体的数字地表信息成果，形成的采空区正射影像成果（如图2所示）。三维影像生成之后采用EPS三维成图软件实现DLG数据的获取，通过外业实测打点统计精度，表明其数学精度能够达到大比例尺地形图的精度要求，完全满足采空区沉陷调查的应用，利用数字矢量化软件绘图该采空区线划图（如图3所示）：

图2 采空沉陷区正射影像成果

图3 采空沉陷区数字线划图

1.3 无人船水下测量技术

该采空引起的地表沉陷形成了大量的积水区域，对积水区的调查，需要采集水下的地形数据。传统作业主要以人工使用RTK配合测绳、测杆、测深仪等通过皮划艇、租船的方式完成。采空积水区深浅不一，水下地形复杂，零散分布且不与其他水系连通，找船、租船及船只的转移运输困难大、成本高，下水测量较为危险并且作业时间较长；对于皮划艇，水上设备难以固定，故此精度的要求常常使作业者头疼。为解决上述困难，在调查中，我们采用无人船水下测量技术。

为配合采空区中水下测量作业，获取该采空区水域6.5km2的地形图，采用中海达iBoat BS2 智能无人测量船，该船体小巧，携带方便，速度快，航行稳。采用可拆卸模块化涵道式推进器设计，在防渔网、水草等杂物缠绕的优异性能之上，具有维护方便、灵活更换的使用特性。在调查中，作业人员通过基站系统进行作业设计，可以实现全自动无人化作业、自主导航、定点自主返航、智能避障等功能，根据作业环境随时切换自动/手动控制模式，通过测量船与SXCORS的配合，采用无验潮方式直接测量水深，进行吃水改正后与RTK测量数据相结合。测量数据可以直接传输到岸基的操控平台，直接输出符合规范精度要求的水深和水下高程数据，精准实现水下地形数据的智能化采集。采集的水下地形图信息（如图4所示）：

图4 采空沉陷区水下测量成果

2.沉陷监测与预警多技术融合

采空沉陷是一个动态的过程，在获取地表空间位置信息的基础上，必须对这一过程实施综合的动态监测，以掌握其变形规律，预防地质灾害的发生。合理有效的监测方法既能准确地获取高精度沉降信息，又能及时将这些数据传输至分析平台进行直观的物理解释，并对有可能的突发塌陷信息进行提前预警。

2.1 一般地面监测方法

一般的地面监测方法主要是设置地面观测点或观测网，利用水准测量、三角高程、GNSS高程拟合等测量手段，通过实测数据对地面塌陷进行分析。其优点是组织容易、实施简单，缺点是工作量大，只能通过观测点进行定期分析，不能完整、准确地反映采空塌陷的时空变形规律。这些方法在技术飞速发展的今天，逐步被淘汰。

2.2 合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术使用星载或机载雷达信号的相位信息提取地表三维数据，能全天候、全天时地获取大面积地表精确三维信息，空间分辨率高，不受气候条件的影响。在InSAR基础上扩展的差分干涉技术（D-InSAR）可测量微小的地表变形，是目前监测区域采空沉陷变形的有效手段，可以精准地反映沉陷区域的整体变形规律。

2.3 GNSS远程监测预警技术

D-InSAR技术可以全面掌控采空沉陷地表的整体变形规律，而高精度的GNSS技术可以对沉陷区局部或某个采空点进行全天候的监测，以预报采空区地质灾害的发生。在该采空区沉降监测中，我们使用了埋深于采空顶板岩层的基岩标，安置GPS、BDS等多星接收系统，通过多系统联合解算，进行采空变形的实时精准监测，并通过数据远程传输技术，将监测数据实施传输到监测人员手中，构建集监测、传输、预报、预警于一体的智能化、网络化监测平台，系统平台总体架构（如图5所示），采空区沉降监测效果图（如图6所示）：

图5 远程监测系统平台总体架构

图6 采空区沉降监测效果图

3.结论与展望

综上所述，以临汾某一矿区采空区为例，利用全球导航定位系统、低空摄影测量、无人船水下测量等智能化技术为该采空区的调查监测提供了高精度、多源化、多时空的空间信息数据，多种技术的融合实现了对采空区无死角的地形要素的获取。采空区沉降分析过程依靠D-INSAR技术与GNSS远程监测预警技术实现采空区全天候多时段监测与分析，通过可视化、智能化的输出手段，为矿区资源利用、土地规划、地质环境整治、地质灾害防治提供决策依据。

将来利用大数据技术与决策系统等更多的人工智能技术的融合，实现将矿区地理信息数据库和土地管理、环境监测等专业模块结合起来，融合采空区的时空背景，研究采空沉陷区域的时空演变、生态演变、人文演变，对推动采空沉陷区调查，推进当地的人居环境和可持续发展具有重要的现实意义。