倾斜航空摄影技术在矿山地质灾害监测中的应用探讨_陈宜东.pdf

222管理及其他Management and other倾斜航空摄影技术在矿山地质灾害监测中的应用探讨陈宜东摘要：倾斜航空摄影技术有独特的应用优势，在矿山地质灾害监测上，应用倾斜航空摄影技术，可以对调查地区设置编号，如A1 D1，通过影像设备，了解多视角航空影像进行立体化制作。并就控制成果以及最终的适用POS数据，结合给出精准的三维模型。基于Skylin平台实现二次开发，了解矿山的灾害数据，实现数据库建立以及矿山地质环境系统监测，包含灾害点的分析、预警等功能。通过研究，了解倾斜航空摄影技术三维模型的优势，发挥信息多元化的特点。尽可能地减少在测量过程中外界所出现的不良干扰，满足矿山地质灾害检测的要求，落实有效的预防措施。关键词：倾斜航空摄影；矿山地质灾害；三维摄影；应用分析我国在进行特殊地形监测时，需要借助影像发挥独特优势。但在矿山开采时，受矿山特殊地理环境影响，经常出现泥石流、滑坡等不可控自然灾害。不仅会耗费大量的人力、物力进行维修，施工人员也会因灾情产生生命威胁。我国地形地貌起伏变化较大，在施工过程中，若遇强降雨等天气，便有可能引发小型滑坡等灾害。如何实现矿山地质灾害的有效监测，就要解决以往监测角度不精准、监测数据模糊的问题。结合倾斜航空摄影技术，将在短时间内高效获取区域数据，并进行实时平台处理。建立三维实施模型，为灾情评估以及灾后重建、灾情预防等方面提供切实可行的依据。1 国内外边坡稳定性监测内容和方法边坡稳定性监测研究是近代新兴的滑坡地质灾害预报及控制课题，回顾国内外对边坡稳定性监测的内容，主要有变形监测、应力监测、水的监测、岩体破坏声发射监测等，其中应用最为广泛的是变形监测。1.1变形监测变形监测的内容主要有地表变形和边坡体内部变形两方面。地表变形监测包括位移监测和岩体倾斜监测。位移监测又分为绝对位移监测和相对位移监测。绝对位移监测，以监测滑体的三维位移量、位移方向、位移速率为主相对位移监测，监测滑体重点变形部位、裂缝、滑带等点与点之间的相对位移量，包括张开、闭合、错动、抬升、下沉等内容。倾斜监测，主要是监测滑体的角变位与倾倒。边坡体内部的变形观测，即用岩体内钻孔等技术手段进行量测岩体内部的变形，包括张开、闭合、错动、抬升、下沉等。1.2应力监测应力监测主要是测量边坡岩体内不同部位的应力变化和地表应力变化情况，分辨拉力区和压力区。这些物理量能反映变形强度，可配合其它监测资料分析和预测变形动态。根据测量原理的不同，地应力测量方法可分为直接法和间接法两大类。应力解除法、松弛应变测量法、地球物理方法等均属间接法，其中应力解除法是目前国内外应用最广泛的方法，水压致裂法是适合于较硬岩体的地应力测量直接法典型代表。1.3岩体破坏声发射监测该技术是一种雷达探测技术。发射的电磁波在电缆传输中，传播的速度与周围介质的介电常数有关，信号的衰减与介质的电导率有关，接收器接收到的反射信号可以显示电缆的阻抗特征。该监测技术20世纪70年代起开始应用于岩土工程领域，主要应用于测定土体含水量和渗流，监测岩体和土体变形、边坡稳定性以及结构变形等方面。在监测边坡稳定性方面，技术的应用始于20世纪90年代，并以方便、安全经济、数字化及远程控制等优点而受到广泛关注。2 现阶段地质灾害监测存在的主要问题当前工作已取得较为丰硕的成果，但仍有一些问题尚需解决。现有的监测手段主要还是针对表面、浅层的位移、裂缝的产生、水位变化等这些表象进行监测，这些不是滑坡发生前所需的必要条件，因此监测这些内容对于地灾的预测而言，准确度较低。而本文研制出的滑坡灾害智能远程监测预警系统，可以针对性地监测滑坡发生前的重点因素，其关键点在于把滑坡作为一个力学系统，“下滑力”和“抗滑力”之间的平衡状态决定了滑坡灾害是否发生，判断这个因素可以用“穿刺摄动”的方法。滑体的力学系统一旦显示异常，监测预警系统会提示并在滑坡动态图上显现，提前预报。系统中显示边坡稳定性的判断和预测基本上都是基于人工观测曲线，然后根据以往的经验进行估计。这不仅浪费人力，还会因各种原因产生虚报或漏报，可能造成严重后果。综上对于因矿山开采所造成的滑坡、边坡坍塌及其他类似地质环境问题的监测、预防具有十分重要意义。3 倾斜航空摄影技术对于矿山地质灾害的作用倾斜航空摄影技术是基于垂直摄影技术衍生的一种摄影方案，与垂直摄影技术相比，倾斜航空摄影技术可以利用多个摄223管理及其他Management and other像头模组，对所检测的区域进行绘制。分为几大标准板块，全方位、多角度进行拍摄，以收集必要的数据。因此，倾斜航空摄影技术对于图像的处理能力、计算机数据的传播能力以及照片拍摄角度的掌控能力等均强于垂直摄影技术。倾斜航空摄像机通常包含5个镜头模组：1个主要垂直镜头模组以及4个倾斜镜头模组。这些镜头模组有高分辨率，可以对测量区域实现全方位的拍摄，具有图像高集成度的特点。此外，这种多角度的拍摄方法也避免了以往拍摄过程中仅能够获取垂直方向信息的弊端。不仅保证测量精度，还便于施工人员完成三维计算模型的建立。因此，倾斜航空摄影技术的优势并非单纯的图像增强，还包含数据传输以及三维模型辅助建设，具体如下：（1）获取的数据信息速度极快，且精准度较高，有效避免了数据在传播过程中出现的模糊性问题或数据在传播时出现的不匹配的现象。（2）能够满足计算机的建模要求，最终模型建设速度较快且数据精准，具有可参考意义。（3）操作极为便捷、灵活。在建立的模型的基础上，对个矿山地质即将出现的灾害或已出现灾害的区域，可以提供逼真的具体演示。结合收集到的资料，在计算机系统上进行推演，以便了解该隐患若不及时采取相应措施，在后续将会发生何种变化。给予相应管理人员警示，帮助管理人员对灾害有独特认知，制定应急预案。4 倾斜航空摄影技术对于矿山地质灾害的测量环节4.1拍摄角度以及分辨率倾斜航空摄影技术包含储存系统、控制系统、相机主机等，在拍摄时，相机的角度以及分辨率的至关重要，是能否有效了解矿山地质特征以及灾害的基本保障。除常规的分辨率外，最为重要的便是影像重叠度。影像重叠度要考虑垂直、倾斜视角二者所产生的盲点，结合GSD计算公式，通过GSD=8h/f。旋转主轴角度，并完成几何系统的布设。如以GSP为基本方向，设置倾斜摄影点位。在近点、远点、中心点上，分辨率分别为GSD1、GSDt、GSDb。所有的焦距以及摄像单元大小等均由系统根据实际情况进行设置，如在拍摄某些角度时，相机可倾斜45，因此整体视角则为45 B=20或F=50mm。按照此类规格，对所有相机进行实时设置，将采集到的数据值带入相机控制系统。在焦距、飞行高度以及单元大小上，倾斜角度与分辨率的配合，将解决以往差异性较大的问题。4.2影像视觉采集系统影像视觉采集系统可以最常见的轨迹法为基本原则，分析垂直线。从测量方向出发，基于地面坐标设为x轴、y轴，且x轴、y轴为已知。在结合地面高程z值时，便可以确定影像的出发点。z值暂为不可知，但通过y轴、x轴的反馈，也可确定z轴的数值。在影像坐标上，计算二者之间的匹配度。选择关系数，并重复以上步骤。例如，将关系数设为“p”，按p0、p1、p直至pn。对应高程z1、z2、z3zn等，了解二者之间反应地面坐标的特征。在扫描完毕后对图像进行检查，以确保拍摄图像能否满足要求。若出现部分环节模糊或整体图像不符合的问题，必须进行二次补拍。此外，便是对已搜集的图像进行色彩辨别。由影像数据系统根据数据库的数据，对图像进行处理，防止图像出现失真问题。同时，配以区域网平差，将等值赋予每张照片中，以便建立一个均衡、全面的三维立体架构。5 倾斜航空摄影技术对于矿山地质灾害的实际应用5.1框架、数据值的获取分析已知框架以及数据值的获取，例如对于矿山地质灾害测量框架，必须包含实景三维框架、图片收集框架、数据值汇总框架以及隐患排除框架等。结合无人机的测量方案，在框架搭建上，对于数据进行及时分析，包含传感器数据以及图像数据等。以便实现后续航线设计、摄影等要求，发挥测量优势。在三维模型制作上，也可结合多视角以及影像密集配合等，就现有的内容，如DSM、DOM、DEM等了解整个倾斜航空摄影的标准。而在航线设计上，首先要了解航线设计的方案。基于拍摄角度、拍摄方式，在影像获取中要结合地形地貌，确定飞行高度，还需要避开在飞行过程中出现的障碍物。如电线以及高大树木等，对于某些地区的灾害排查，结合矿山的复杂情况，可以将测绘地区分为2个 4个待飞区。每个待飞区包含1个 2个子区，在设置飞行高度上，重叠度可视为75%，而旁向重叠度可设置为65%。随后，选择天气良好情况进行拍摄，以便获取最佳的图像质量。在到达要求后，还可进行下一阶段的拍摄任务。在多维视角的获取标准上，数据需要储存至指定的计算机库。作为原始数据，提供分析参考值。随后，经过人工的影像数据镶嵌、筛选后，获取与地质灾害有关的信息数据，并实现汇总。在地质灾害调查分析中，现场勘察数据非常重要。相关资料的获取将为后续模型设定以及矿山地质灾害处理起到决定性因素，在航行路线以及航高中，可以测量飞行间距以及最终频次要求。在规定区域布设像素点，像素点布设与倾斜摄影的最终成果精度有密切关联。在模拟实验中，以计算机模型为标准，建立0.3平方公里的实验区域。以cm作为分段，逐段进行分析比较，了解布控像素点的重要性。如十字形布设，在误差中为0.074。因此，超限不适宜进行评估。而边缘加密内部均匀布设误差为0.037，满足精度，且工作量较小。而传统测量方法布设为0.034，工作量较大。通过GPS-RTK完成像素点加密。以平面位置高程等为测量方案，实现计算处理，解决以往在监测中出现的视觉盲区。5.2完成三维模型的制作在获取精准数据后，便要着手进行三维模型的搭建。但为解决在搭建过程中出现的应急要求，还需提前建立电子沙盘，以便完成数据值的筛检。在模型的制度上，本着时间紧、任务重的原则，在最短时间内争取获得质量、精度更高的商业模型标准。以往传统的人工建模无法完成要求，可以使用自动化建模技术，如224管理及其他Management and other采用Smart3DCapture自动建模软件，对于采集到的数据值进行操作。该软件能够建立一个空白文档，并将建模数据在短时间内运行，获取基本建模区域。随后，进行精细化运行，对已有的建模细节进行补充。在本次研究中，所获得的航空影像资料均由倾斜航空摄影系统拍摄所得，因此角度较多。且摄影数据有多方位的优势，生成的三维模型精度也较高，可以更好地满足地质灾害的测量分析要求。5.3进行质地灾害的监测分析在地质灾害的监测分析中，必须以某种灾害为标准进行研究。本文拟定了某滑坡灾害，在应急抢险措施上，该模型基于精准的评估范围，拟定出受灾人数以及拆迁处理范围等。结合数据库的分析标准，提供一个大致数据，并生成自动化的安置计划。同时，便于施工人员生成更加可靠的救灾方案，完成数据融合。且滑坡地质灾害很容易出现大量的裸土、岩石暴露。矿山在强降雨天气下，很容易出现泥石流，破坏性极大。在三维模型预测上，要结合当地的天气情况，保障救灾人员能够及时抢险。在实景三维模型中，可以得知本次矿山地质灾害面积高达6024.31m2，在三维模型中计划影响边界，结合泥石流或滑坡灾害的土方量，可高达7214.54m3。由此可见，三维模型的灾害分析便于工作人员及时完成灾害险情的预测。且三维模型有可视化特征，直观展现了滑坡灾害最终的发育程度。清晰规划滑坡规模大小，为后续应急抢险提供基础依据。计算泥石流或滑坡土方量后，了解本次滑坡受灾情况极为严重。在撤出灾区居民后，设定安置区域。此外，该模型也识别不稳定岩体两处。在后续抢险中，若出现强降雨等天气，很容易发生二次灾害，因此还需要对滑坡进行爆破处理。对三维模型进行精细分析，可以清晰的查阅因滑坡地质灾害所造成的影响。高分辨率三维立体模型对于居民地、渠沟等生成塌陷。且塌陷坑明显低于周边地形，甚至可以对土壤部分的含水量异常进行推演。如含水量异常，有可能会导致后续杂草丛生，使山体或旱地形成差异，同时也会使建筑物产生裂痕。这些精细化的结果都会在模型中进行展现通，通过Acg