基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究_王德欣.pdf

第 33 卷第 1 期2023 年 3 月安徽地质Geology of AnhuiMar.2023Vol.33 No.1文章编号：1005-6157（2023）01-0引言本文以淮南市采煤沉陷区为例。淮南矿区位于华东腹地，毗邻上海、南京，交通便利，战略地位十分重要。淮南地区经历了多次地壳运动。在此期间，地壳多次抬升和沉降，形成了海陆互动地层。特别是在晚石炭世和二叠纪，海洋和大陆沉积环境为煤炭资源的生成提供了良好的条件，从而形成了丰富的煤炭资源。淮南煤矿资源为全国能源供给做出了不可磨灭的贡献。随着采煤活动的日益进行，采煤沉陷区内地面也发生了不同程度的沉降，对农业、自然生态、人民的生产生活造成了影响。因此，对沉陷区进行地面沉降监测具有非常重要的意义。通过长期有规律的监测获取沉陷区的形变序列，掌握形变分布现状，预测地面变形的发展趋势，能够有效地预防灾害发生。对于大面积研究区的监测，一般传统方法耗时耗力，如今沉陷区治理需要一种新的研究模式1，采用新的测绘技术来监测地面沉降，从以往的点状监测、线状监测提升为三维立体监测的方法。本文将基于无人机监测技术对研究区大面积的连续监测进行研究。1研究区概况淮南煤田的发现和开发始于淮河南岸。淮南地区煤矿资源丰富，开采煤层厚度大；研究区煤矿开采方式主要以地下开采为主，煤层厚度大，多层开采，造成地面发生大面积的沉降，且沉陷幅度较大，影响范围较广，随之产生一系列的问题，如引发地表沉陷损毁积水、水利设施受损、建（构）筑物地基下沉、工程设施损坏等问题，并且治理难度大，对人民的生产生活及自然环境造成不可避免的安全隐患。对地面沉降进行跟踪监测，是治理采煤沉陷区的首要任务。2不同监测方法的局限性与优越性分析2.1 传统监测方法目前，采煤沉陷区地面沉降监测的方法有多种，传统方法主要有水准测量、静态GPS测量、动态GPS测量等，在以往的监测中使用广泛。传统的水准测量变形观测站的设置，主要以剖面线形式为主，获得的监测数据反映的主要是沉陷区域主断面的沉降情况，该方法只能对监测点绘制出的沉降剖面曲线图进行分析2。如果要全面掌握和分析沉降区内的地面沉降变形，必须布置大量的监测点，并通过拟合等方式绘制监测区的沉降等值线图。这种地面沉降监测方法不仅工作量大、耗时长、成本高，且观测点难以长期保存，而且由于监测点维护不善或非沉降引起的点位变基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究地面沉降的研究王德欣，李明（安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽淮北235000）摘要：中国是世界上煤炭资源较丰富的国家之一。煤炭资源的开发促进了中国经济的快速发展。然而，大量地下开采引起的煤矿地表塌陷对开采环境造成了严重的影响和危害。安徽省淮南地区煤炭资源十分丰富，随着地下采矿活动的进行，发生着不同程度的地面沉降。为掌握沉陷区地面沉降现状，通过无人机航测技术对淮南采煤沉陷区进行摄影测量，并通过后期软件对两期数据的处理，生成点云，DEM对比分析，建立三维影像模型，得出沉陷区监测时间段的地面沉降情况。监测成果可以为灾害防治与预警提供基础数据，为沉陷区生态修复的方向及方式等提供依据。关键词：采煤沉陷区；无人机测绘；点云去噪；两期DEM分析；地面沉降；ArcGIS Pro中图分类号：P231文献标志码：A收稿日期：2022-8-18作者简介：王德欣（1986），男，安徽濉溪人，工程师，现从事地质测绘工作。E-mail：082-5第33卷第1期化，容易造成沉降变形分析处理中的偏差。随着GPS技术的成熟和广泛应用，GPS在地面沉降监测方面逐渐被大规模使用。该方法主要是通过GPS测量确定椭球的水平位置和高度，并根据椭球高度的差异确定垂直地面变化的程度。通常，为定期观测，会建立地表和地层移动的专门观测站。GPS测量方法具有定位精度高、观测时间短、易于自动监测、数据自动采集和处理等优点，在小范围矿山变形中得到了广泛应用，是一种实用的方法。然而，点位基站的稳定性难以保证，只能进行沉降点和沉降线二维测量，且投入代价较大，无法满足大面积沉陷区的监测任务。动态GPS测量方法较为简便，但同样需要布设大范围的监测点，且监测精度相对较低，不能满足面状高密度的监测要求。简而言之，传统的测量方法在表面变形监测中起着重要作用，但随着测绘手段的发展，局限性越来越突出，主要表现在：（1）观测标志保存和维护困难，变形监测实施困难；（2）监测网络的投资和维护费用较大，受气候和地形条件影响；（3）观测时间较长，大面积变形监测难以在短时间内完成，影响变形数据分析质量；（4）对离散点的观测，只能获得大空间尺度离散点的形变信息，难以反映连续变形规律；（5）一般而言，观测点、线往往位于局部区域，无法获得综合形变数据。2.2 无人机等新技术监测方法为了研究沉陷区地表变形的成因、过程、趋势和发展规律，有必要采用新技术进行综合监测。无人机航测技术作为新兴的高新技术，使用高分辨率CCD数码相机、激光扫描仪和其他机载遥感设备获取信息，利用计算机处理图像信息，根据特定的图像精度需求，不但可以获取大面积的光学影像，还能获取高达5 cm分辨率的数字表面模型，以及对应的点云数据，因此可以大面积监测地表形变3。与传统的GPS、RTK测量这些基于离散点的形变测量相比，无人机沉降监测具有以下几个方面的特点：（1）无人机航测具有较高的灵活性和安全性。环境因素对无人机航测的影响较小。（2）无人机航测按照一定的时间间隔对地面同一目标进行周期性的连续长期观测，它具有数据更新速度快、数据量大的特点，能够实时监测地面目标的连续变形过程。（3）作业成本较低，综合效益最优。传统的外业测量方法投入的资金和人力成本较高，需要布设大量的监测点，无人机航测将无人机与高精度相机或雷达设备相结合，缩短了外业测量时间，布设少量检查点即可，从而极大地降低了外业成本，节省了人员、物资等投入，提高了工作效率。2.3 不同监测方法作业对比分析例如在监测某矿区约为18 km2沉陷区的沉降情况时，对三种监测方法投入的人员、设备、作业工期、监测点布设、监测工作量、投入资金等情况进行对比分析见表1。传统方法监测点布控图如图1所示，无人机航测检测点布控如图2所示。表1三种监测方法对比Table 1.Comparison of three monitoring methods监测方法水准测量动态GPS测量无人机航测人员/人444工期/天1595设备仪器水准仪、监测点RTK、监测点无人机、检测点监测/检查点埋设/个959959104监测工作量198 km198 km18 km2项目投入资金/万元1294图1某沉陷区传统方法监测点布控图Figure 1.Layout of monitoring points with traditionalmethods in a subsidence area图2某沉陷区无人机航测检测点布控图Figure 2.Layout of UAV aerial survey and detection pointsin a subsidence area王德欣，等：基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究83安徽地质2023年由表1可知，采用无人机等新技术对采煤沉陷区进行大范围的地表沉陷监测，具有效率高、投入少、工期短等优势。3数据处理及沉降分析3.1 无人机航测数据处理无人机测绘数据通过专业软件进行处理，获得地面点云和正射影像数据，一般操作流程如图3所示。图3航测数据处理流程Figure 3.Processing flow of aerial survey data3.2 点云去噪通过专业软件初步处理获得的点云数据具有点云数据密度不规则、由于异常值的特征造成遮挡等问题，需要去除噪声数据。点云数据去噪滤波算法包括双边滤波、高斯滤波、盒式去噪、dbscan、KD树、条件滤波等，不同算法适用不同的情形4。（1）双边滤波。为结合距离和空间结构进行点云去噪的一种方法，适合有序的点云数据。（2）高斯滤波。属于线性平滑滤波，适用于消除高斯噪声，点云呈正态分布的数据。（3）分箱去噪。属于局部平滑滤波，将连续数据离散化，适用于点云呈偏态分布的数据。（4）dbscan。基于聚类原理对点云进行去噪，复杂度较高。（5）KD树。处理的一般为复杂度高、无序的点云数据。（6）条件滤波。条件滤波器是通过设定滤波数值，相对于地面高度或绝对高度，进行滤波的一种方法。对于航测的点云数据，包含有房屋、森林植被等地物，复杂度较高，通过KD树算法按分块体积对点云进行分析，以确定噪音测量点及基于高度的噪点检测，可以将具有异常空间特征的点云分类为噪点并剔除。本次通过使用ArcGIS Pro软件实现点云噪点的去除。噪点筛选结果如图4所示。图中黑色的点为筛选出的噪点数据，可以看出大多集中在植被上方。3.3 地面点提取点云数据包含较多的地物信息，例如低、中、高植被，以及建筑、水域、桥梁、导线、输电塔等，提取地面点是为了后面更好地建立数字高程模型。提取地面点的方法有以下几种：（1）STANDARD法。该方法对坡度变化具有耐受性，因此它可以捕捉地面上的平缓起伏，而这些起伏是传统保守方法无法捕捉的。（2）CONSERVATIVE法。与其他方法相比，该方法对地面坡度的变化有更严格的限制，因此该方法可以将地面与低洼植被（如草地和灌木）区分开来。该方法最适用于曲率最小的地形。（3）AGGRESSIVE 法。该方法可以将地势较高的山脊和山顶等地貌起伏较大的区域转化为真实的地表成果。因为沉陷区大多分布在地势平坦的乡村区域，所以采取STANDARD法。在软件ArcGIS Pro软件中，使用分类地面点云工具，地面检测方法选择 STANDARD，地面点提取前后效果如图5、图6所示。通过对比可以看出，图5中的植被、房屋、车辆等非地表物体被很好地剔除，图6展示的三维效果很好地模拟了地表高程信息。图5地面点提取前Figure 5.Before extraction of ground points图4噪点筛选结果Figure 4.Noise screening results84第33卷第1期图6地面点提取后Figure 6.After extraction of ground points3.4 生成DEMDEM作为可以真实反映地面高程的数字模型，通过比较一定时间间隔内地面同一目标不同时间的DEM，便可精准掌握该沉陷区内某时间段的地面沉降情况5。生成DEM一般步骤为通过上述生成的地面点云数据，先将地面点云数据构建成不规则三角网（TIN），再通过一定的插值方法，生成数字高程模型（DEM）6。插值方法可以是线性插值法或自然邻域插值法。线性插值法可以将不规则三角网显示为平面，通过查找平面空间中的三角形并计算像素中心相对于三角形平面的位置，为每个输出像素设置指定高度。自然邻域插值法可以产生比线性插值法更平滑的结果，它对每个输出像素中心周围所有方向上的最近不规则三角网节点使用基于区域的权重方案。通过TIN转栅格流程，对这两种方法进行比较，选取线性插值法生成的DEM效果较好，并通过上述方法生成了同一沉陷区内时间间隔为半年的DEM，成果如图7、图8所示。通过图7、图8可以明显看出该沉陷区某个时间点的地面沉陷影响范围。图中颜色较深区域表示为地表高程相对较小，内部空白的区域为水域，暂无水下高程模型数据7。但要判断该沉陷区某时间段内的沉陷情况，还需要对两期的DEM做进一步的处理和对比分析。图7某矿沉陷区2021年6月DEMFigure 7.DEM of a mine subsidence area in June 2021图8某矿沉陷区2021年12月DEMFigure 8.DEM of a mine subsidence area in December 2021为验证DEM的精度，本次将前期RTK测量的控制点高程值与通过控制点坐标提取的DEM高程值进行对比，共统计对比180个点，高程误差统计如图9所示。中误差为3 cm。图9高程误差统计Figure 9.Elevation error statistics3.5 两期DEM对比分析在两期DEM对比分析中，获得两期DEM差值，一般采用二期栅格像元值减去一期栅格像元值的方法，原理如图10所示，即栅格减法运算8。图10栅格减法运算原理Figure 10.Principle of raster subtraction因此，可以通过这种方法对同一沉陷区内两期的DEM进行栅格减法分析，获取该沉陷区内某时间段的沉陷情况9。经过软件处理，如图11所示的是图12中一号区域的两期影像对比图，通过图11两期影像，初步判断该地区确实发生了地貌变化，沉陷幅度较大，部分区域已积水，受损严重。通过地下开采工作面以及实地观测分析，该地确实因煤矿开采活动造成地面沉陷。其次通过沉陷区2021年6月与2021年12月份 DEM 差值分析，并选取沉陷明显、范围较大的区域，如图12所示。由图12可以看出半年监测期内，1号区域发生了大面积的沉陷情况，最深处沉陷约为1.7 m，沉陷影响面积约为0.16 km2。王德欣，等：基于无人机航测技术分析采煤沉陷区地面沉降的研究85安徽地质2023年图11某矿沉陷区2021年6月与12月影像对比Figure 11.Image comparison between June and December2021 of a mine subsidence area图12某矿沉陷区2021年6月与12月DEM差值Figure 12.DEM difference between June and December2021 of a mine subsidence area4结论本文以淮南市某煤矿采煤沉陷区为例，研究成果为实时快速监测因矿山生产而引起的地面沉陷提供了有力的技术支撑。此次通过对无人机两期航测数据进行对比分析，在效率上，不但可以大面积进行监测，而且还可以通过栅格成果数据直观地看出某时间段内的地面沉陷情况以及具体的沉陷深度和沉陷范围；并且通过某时间点的DEM，还可以直观地看出沉陷区沉陷程度以及沉陷影响范围；通过DEM配合正射影像可以进行三维的信息展示。相较于传统沉降监测方法，无人机航测可以监测地面目标在时间序列上的连续形变过程，优势明显，缩短了测量周期，降低了作业成本，很大程度上节省了人力、物力和财力，也为地面灾害预警、沉降治理等提供了及时有效的基础依据。参考文献：1赵官正.无人机在自然资源管理中的应用需求与现状研究J.安徽地质，2020，30(2)：157-160.2吴军.王村煤业副井变形与地面沉降监测研究J.山东煤炭科技，2022，40(6)：181-183.3朱正华.无人机免像控大比例尺测图与精度验证J.安徽地质，2021，31(2)：176-179，183.4赵贝贝.基于InSAR技术的矿区地表沉降监测研究D.西安：西安科技大学，2021.5周定义，左小清，喜文飞，等.时序新方法在城市地面沉降监测中的研究J.测绘科学，2022，47(5)：115-124.6赵欢.机载点云数据生产DEM的关键技术探讨J.测绘与空间地理信息，2021，44(12)：179-182.7沈燕.ArcGIS在DEM地形特征点方面的应用J.新疆有色金属，2013，36(3)：37-38.8蒲薇，陈光荣.浅谈基于ArcGIS空间分析工具对栅格数据的分析方法C/云南省测绘地理信息学会2017年学术年会论文集，2017：42-45.9吴悠.高等级水准测量技术在安徽宿州市地面沉降监测中的应用J.资源信息与工程，2022，37(3)：88-90.A study on land subsidence in the coal-mining area based on UAV aerialsurvey technologyWANG Dexin and LI Ming(No.325 Unit,Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Huaibei,Anhui 235000,China)Abstract：China is one of the countries with rich coal resources in the world.The exploitation of coal resources haspromoted the rapid development of Chinese economy.However,land subsidence caused by large underground mining hasseriously affected and harmed the mining environment.Coal resources are very rich in the Huainan area,Anhui Province,whereland subsidence occurs to different degrees with the development of underground mining.In order to have a clearpicture of the stricken area,photogrammetry was carried out in the Huainan coal mining subsidence area by UAV aerialsurvey technology,and the data of two periods were processed later by software to generate point cloud and DEM,and acomparativeanalysiswasmadetoestablishathree-dimensionalimagemodelandobtainthelandsubsidenceinthemonitoring period of the subsidence area.The monitoring results can provide basic data for prevention and early warning ofthe hazard,and provide a basis for guiding ecological restoration in the subsidence area.Key words：mining subsidence area；drone surveying and mapping；point cloud denoising；two-stage DEM analysis；landsubsidence；ArcGIS Pro86