无人机遥感技术在采煤地面塌陷监测中的应用程奎

无人机遥感技术在采煤地面塌陷监测中的应用程奎

程奎

淮南矿业集团顾桥煤矿安徽省淮南市232150

摘要：无人机遥感技术是一个复合型名词，它集合了无人机与遥感技术的双重优点，提供的影像分辨率较高且投入资本更低，应用自由，不受特殊地形的局限。在煤矿开采过程中，利用无人机遥感技术能够快速获取地面塌陷区影像，并结合实地调查数据准确无误的对采煤地面塌陷进行监测。鉴于此，文章首先对无人机遥感技术进行了介绍，然后对其在采煤地面塌陷监测中的应用进行了研究，以供参考。

关键词：无人机遥感；煤矿开采；地面塌陷监测

引言

遥感动态监测是对统一数据监测地区不同时间的遥感数据信息进行提取，具有多传感器和多时相性的特点。动态监测主要是利用卫星遥感信息，具有连续性和周期性的特点，对森林和耕地面积变化、地质灾害及昼夜温度变化进行监测。卫星资料的商业化极大地提高了光谱和数据空间的分辨率，为利用动态遥感技术检查煤矿的塌陷区域提供了可能性。

1无人机遥感技术简介

无人机作为一种不载人飞机，利用无线遥控和自动程序控制整个机器的运转，其种类有定翼、多旋翼、直升机等。普通民用无人机具有机动性、便捷性、经济性的优点。随着我国计算机技术与网络通信数据的发展，在无人机技术上增添了很多现代智能化、自动化的装置，进一步提高了无人机的应用程度，在拍摄、勘探等方面有非常突出的优点。无人机遥感技术是在遥感传感器的基础上根据不同类型的遥感任务进行数据探测的技术，常见的机载遥感设备有CCD数码相机、轻型光学相机、合成孔径雷达等，无人机的遥感系统多采用小型数字相机，与传统航片相比，这种小型数字相机采集的图像更有针对性，且影像数量存储大，能够实现几何模型对图像的辐射校正，也能通过自动识别和快速拼接提高影像质量、飞行质量。总的来说，一个完整的无人机遥感系统包括外业空间信息采集和内页数据处理两个子系统，子系统中又分别囊括不同环节。

2监测原理分析

在地下水丰富的煤矿开采区内，随着煤层开采的不断扩大，地下空洞面积不断增加。当上覆地层重力超过含煤地层的抗压程度时，开采区就会出现地表沉降现象。沉降面低于地下水水位线时，会在地表出现积水。随着地表塌陷的增加，地表积水面积会不断的扩大。冒落式、沉陷式和地堑式是煤矿开采地区地表塌陷的主要表现形式。开采区积水的出现原因较多，按照积水水源的不同分为3种情况:①矿区地下水资源丰富，地下水位线较低，随着塌陷的不断加深，塌陷地表低于地下水位线，地下水会渗出地表，形成积水；②矿区内地表水资源丰富，河流湖泊密布，当塌陷区低于矿区内地表水位线时，地表水会沿地层内透水性好的路径补给地下水，使地下水水位线提高，从而在塌陷区形成地表积水，这种地表积水的实质来源是矿区内的地表径流；③矿区内大气降水丰富，而矿区内地层岩性以泥岩及泥质黏土为主，渗水性差。在雨水量超过地表渗透能力时，会在塌陷区形成积水。这种积水的形成和矿区内的大气降水量关系明显。在矿区中塌陷积水的形成往往不是单因素的结果，而是受地下水、地表径流、大气降水和矿区地表岩性的共同控制。地表积水的面积、最大深度不是塌陷面积和塌陷深度的真实体现，但地表积水对矿区内的塌陷有良好的指示作用。对地表积水面进行定期监测，可以间接地反应矿区内塌陷区的发展情况。

3无人机遥感技术在采煤地面塌陷监测中的作用分析

采煤地面塌陷是煤矿开采对地表岩土体破坏而形成的一类地质灾害，主要包括地表裂缝、塌陷盆地、塌陷坑、塌陷槽和伴生滑坡崩塌等类型。煤炭基地的大规模、高强度开采形成的地面塌陷区具有面积大、动态变化和危险性高等特点。传统人工监测手段无法保证高效率和大面积精细监测，有人机遥感和卫星遥感技术又存在影像分辨率低且无法识别较小宽度地表裂缝的问题。无人机遥感技术的出现和发展，为这一问题的解决提供了一种新思路。无人机遥感具有影像分辨率高、成本低、机动灵活、不受复杂地形影响等一系列技术优点，可以实现对采煤地面塌陷区遥感影像的快速获取，结合实地调查数据，能迅速而准确地完成采煤地面塌陷的监测任务，甚至为更大范围采煤地面塌陷的监测提供技术支持。总结无人机在采煤地面塌陷监测中的应用，目前利用无人机遥感技术对采煤地面塌陷的监测精度多在0.1m以上，无法识别较小宽度的地表裂缝；地表裂缝的解译多采用人工目视解译，基于计算机信息提取的分类方法研究不够深入；对综采工作面地面塌陷的发育规律认识不清，也没有学者开展利用无人机遥感技术直接计算地表下沉值等地表岩移参数的研究。因此，提高无人机遥感影像分辨率，建立适合采煤地面塌陷裂缝的信息提取模型，借助无人机充分认识地面塌陷发育规律和利用遥感影像直接计算地表下沉值是采煤地面塌陷地质灾害监测中急需解决的难题。

4地面塌陷监测方法与技术

4.1航线设计

使用无人机遥感技术进行地面塌陷监测，其首要任务是要对航线进行设计。在航线的设计过程中，必须充分考察煤矿区域内可以达到的飞行高度、飞行方向以及重叠度。工作区域为矩形的煤矿，航线设计比较简单，可以把航线中的重叠度调整为50%和65%，利用相机的分辨率和镜头焦距等参数来确定无人机的飞行高度，其计算公式为:H=f×GSD/a。矿区地面开裂是采煤地表塌陷的主要表现之一，大部分煤矿裂缝数目多并且宽度较小(约2cm)，是勘测的焦点。为了保证飞行高度的计算数据与矿井实际情况相符，也可以对其进行调节测试，对相同地表裂缝开展不同飞行高度的航拍，对比回收数据后，确定无人机的飞行高度。

4.2遥感图像的收集与处理

监测采煤地面塌陷的最佳时期是风速较低且天气晴朗的午间时段，采用POS对航拍采集的图像资料的重叠度和质量进行检测。目前，大部分图像处理软件是Pix4DMapper2．0版，只需要把采集到的POS信息和无人机收集的图像上传，就可以自动修正影像当中的模糊部分，进而制作成相应的数字文件。在采煤地面塌陷监测过程中，有时需要收集数量非常多的影像资料，一般的仪器设备无法完成大规模数据的读取任务，因此在数据导入前需将工作面划分成几部分，最后再生成相应的DOM文档，这样不但可以处理采煤地面的精准区域，还可以从宏观角度对图像资料进行处理。

结语

综上所述，无人机遥感技术是当前新兴的技术手段，在获取国土资源、自然环境、地震灾区等空间遥感信息有无可比拟的优点，将其应用于采煤地面塌陷的监测能帮助工作人员快速掌握矿井信息，做好下一步决策，为煤矿开采奠定安全基础，从而进一步促进我国煤矿开采事业的持续稳定发展。

参考文献

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