基于無人機在火電廠露天儲煤場儲量測量應用

黃錦財

中國建筑材料工業地質勘查中心福建總隊，福建 福州 350001

0 引言

隨著經濟的高速發展人民生活水平不斷的提高，各類現代化電器普及家家戶戶對于用電的需求量越來越大。在火電廠發電成本比例中燃料（煤）的成本占比例最大，所以燃料成本的核算是電廠生產經營重要組成部分。其中火電廠燃料的盤點是燃料管理的一項重要工作，燃煤電廠煤場存煤量的計算需要達到快速、精確、安全的要求是目前尚未解決的一個重大的技術難題，但通過無人機快速獲取煤方精準的DEM 模型計算可以較大程度滿足其計算要求［1］。

1 在煤場測量中無人機傾斜攝影技術與傳統測量技術比較

1.1 傳統測量的不足

在使用傳統人工測量技術時受煤場場地因數、煤堆幾何形狀等影響大，且精度低、誤差大，有時需工作人員爬到煤堆頂部親自煤堆測量，屯煤較多會造成更多人力浪費。尤其在氣溫較高的環境下煤會自燃，對于傳統測量技術需要人員與測量環境直接接觸，在這環境下有很大人身安全隱患，對數據采集精度也不高。同時工作量較大，人工費用高，經濟效益差。使用激光雷達盤煤測量，過程復雜，工作量大且每次開啟都浪費大量電力，行進速度慢，盤煤耗費時間太長，影響配煤上倉，可能導致電廠負荷供電不足，造成不必要的經濟損失。

1.2 無人機傾斜攝影的優勢

煤場堆放往往是不規則堆放高且表面疏松，多個地方人員無法到達。無人機傾斜測量作業無需直接接觸物體，機動靈活尤其是火電廠堆煤場面積不是特別大，無人機一架次飛行就可完成作業用時短［2］。現有傾斜測量技術在傳統航測上就行傳承與創新，可從各姿態攝影站點上獲取垂直及前后左右五個方位獲取影像。可對被測物體進行全方位影像采集，生成三維的物體空間模型，真實反應物體的空間形態。提高了測量的精度，同時該方法不受場地障礙影響，避免大量測量人員現場作業提高了人員安全保障。

2 無人機傾斜攝影技術在煤方測量的流程

煤方量就是計算兩期煤方的體積差，快速獲取與實物基本一致的DEM 模型。煤方堆放前后的DEM 模型差，即為本次的煤方體積。本次方案利用Pix4D、Global-Mapper 及南方CASS軟件結合使用解算無人機傾斜攝影數據，計算煤方量技術流程如下：

（1）制定飛行計劃，查閱相關資料確定是否屬于禁飛區域。

（2）實地勘察，制定飛行高度。規劃航線并根據航線布置像控點，一般像控點布設在測區的四個角點控制整個測區，測區內的高低處都應布設，但控制點也不應過多須均勻分布，并用GPS-RTK 采集像控點坐標。

（3）煤方堆放前后分別用無人機進行拍攝數據采集。

（4）對采集回來的照片通過Pix4D 軟件進行處理，制作DEM 模型，對其影像進行正射處理后鑲嵌得到DOM 數據。

（5）利用Global-Mapper 軟件根據需求輸出密度大小合適的點云數據及DOM 數據。利用南方CASS 軟件進行數據整理，剔除異常高程數據，并利用兩期土方計算功能算出煤方量。

3 實例應用

本例為國電福州江陰露天堆煤場，項目航飛工作采用大疆精靈4 無人機對煤場堆放前后分別進行航測數據采集并進行煤方量計算。

3.1 外業數據采集

該場地長約400m 寬約250m，在兩條長邊上各設3 個像控點。根據測量區域確定飛行范圍，根據航空攝影測量作業規范要求航向應達到56%～65%的重疊，及確保在各種不同的地面至少有50%的重疊［3］。旁向重疊一般應為30%～35%。為了確保數據精確讓更多的相片參與解算，本次采用航向重疊度80%，旁向重疊度60%，航高設置為80m 進行飛行。考慮飛機的拍攝角度及邊緣物體的立體成像，在測區范圍外各增設一條航線。

3.2 航測數據處理

外業數據采集完成后，內業采用Pix4D 軟件進行數據處理流程見圖1。成果輸出后，利用Global-Mapper 軟件進行數據整理輸出點坐標數據并利用南方CASS 軟件進行計算。

3.3 煤方量計算

經過處理分別得到兩期煤方的地表數字高程數據及DOM數據，分別加載到CASS 軟件中。煤場中有大型挖掘機在工作，煤堆會被其伸出的機械梁臂所遮擋。無人機所測出的高程數據為其機械梁臂上的高程，可通過DOM 資料及結合周邊高程可剔除測區內高程異常數據。根據最終的有效高程數據進行分析疊加，即可求出區域里煤方的總量。此計算方法與兩區土方計算一致，計算主要流程如下:

（1）將煤場堆放前的點云數據（高程數據），導入南方CASS 軟件中，生產TIN 三角網文件命名T1。

（2）將煤場堆放后的點云數據（高程數據），導入南方CASS 軟件中［4］。在DOM 影像中圈出需要計算范圍，根據計算范圍生產TIN 三角網文件命名T2。

（3）在南方CASS 軟件中，打開工程應用—DTM 法土方計算—計算兩期間土方—選擇第一期三角文件T1—選擇第一期三角文件T2—生成計算成果表。

4 精度比較分析

圖1 航測數據處理流程圖

為了分析無人機航測成果在堆煤量的計算精度，采用傳統GPS-RTK 方法同時對煤堆進行數據采集。分析測區內特征點的平面及高程精度，其中重點分析同名點的高程精度［5］。均勻抽取測區內堆煤后30 個特征點，用GPS-RTK 及無人機解算后的DEM 數據分別采集其高程點進行較差分析見表1，其高程數據滿足1 ∶500 大比例尺低空數字航空攝影成圖要求。

表1 檢測點高程RTK 測量值與無人機解算值較差統計表

采用同樣CASS 計算方法將傳統GPS-RTK 測量法采集的高程點進行煤方計算。兩者的計算成果進行比較，結果為兩者相差338.66 m3，占總煤場堆煤量的0.36%。該精度滿足煤方量計算的一般工程測量規范要求，結果顯示無人機傾斜攝影測量可用于該項目煤方量計算。

5 結語

無人機傾斜攝影技術的數據采集簡單靈活、測量精度較高、數據現勢性好、勞動力輸出少、生產效率高、費用相對低廉對本項目起到和好的效益性。通過實例的分析及對比驗證了該技術的可行性及精度的可靠性。無人機傾斜攝影技術特點在礦山管理、竣工驗收、工程勘察設計、農村地籍等領域同樣可得到廣泛的運用。