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基于无人机数据的露天矿三维时空对比及微地貌分析

黄皓中  
【摘要】:露天开采是指把露天矿体上部及周围的浮土和围岩剥去,在露天矿体上直接进行矿石的挖掘,作为一种开采成本较低且产量较高的生产方式,露天开采在国内外的矿山开采中占着极其重要的比例,但是露天开采带来的一些负面影响也不容小觑,例如露天开采造成的环境污染以及开采过程中对原地貌造成破坏。露天矿开采完形成的矿坑或者废石形成的排土场,在一些人为因素或自然因素的诱导下可能会引发滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害。这些灾害对于矿区的人员以及财产都是潜在的威胁,如何对露天矿采区边坡及表面进行时空对比分析成为了保证露天矿安全生产亟待解决的问题之一。遥感技术作为一种成熟的对地观测技术,是实现快速全球或大区域对地观测的有效手段,低空无人机遥感具有高效率、高精度、低成本的特点,通过低空无人机能够快速、高效地获取目标物影像,经过快速处理,可以获得目标区域的空间三维信息,结合相关专业知识对目标区域进行定性定量的分析。通过无人机遥感技术可以将传统的露天矿变形监测由二维拓展至三维,由单一空间序列提升至时间空间序列,从而实现露天矿的三维时空对比分析。研究主要取得了以下成果:(1)梳理了无人机遥感系统的工作特点以及工作流程。(2)分析了三维时空对比分析的关键技术——点云的特点及其获取与处理方法。(3)从微地貌的层面,对微地貌的概念及其意义进行了阐述。(4)在上述理论研究的基础上以北京市密云区首云铁矿为例,基于对该地区两次野外无人机数据的获取,对该矿区的地形因子进行数字提取分析,发现主矿坑的变化主要集中在矿坑南部,尤其是矿坑东南部,形成了高坡度、高曲率、高地表粗糙度的人工阶地地貌。进而对该露天矿的四种微地貌类型进行提取,经过验证,效果良好,且与地形因子变化的结果一致。最后对矿区进行定量三维时空对比分析,使用基于法向量的点云对比方法对两期点云数据进行处理,发现两期数据的变化较大,尤其是在矿坑东南处的人工地貌出现了深达82米的挖方区,并且挖方量在1000万立方米以上。通过北京密云首云铁矿的应用实例研究,验证了基于无人机的露天矿三维时空对比以及微地貌分析的可行性以及现实意义。


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