無人智能技術(shù)在廢棄礦坑庫容計算中的應(yīng)用

陳 杭 邢亞東 鄧超云

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010)

0 引言

近年來,廢棄礦坑導(dǎo)致的安全事故及環(huán)境事件時有發(fā)生,不僅給人民生命財產(chǎn)造成重大損失,而且對周圍環(huán)境安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,甚至一定程度上影響了社會穩(wěn)定。根據(jù)廢棄礦坑綜合治理的原則,治理前需要詳細(xì)測算礦坑庫容,然后確定綜合治理方案,研究具體治理措施和計劃。

通過無人智能技術(shù)測量生成的地形表達(dá)完整,外業(yè)工作量小,內(nèi)業(yè)自動化程度高[1]。新技術(shù)不僅降低了成本同時提高了效率[2]。該類技術(shù)不受地形和環(huán)境因素的影響,可用于特殊地形下的測量[3],無人傾斜攝影實景三維具有高精度,高真實感等特點[4]。近幾年,無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地形測量中的運用越來越廣泛[5]。外業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后,還需要內(nèi)業(yè)進(jìn)行礦坑庫容的計算,庫容計算的方法有DEM法、斷面法、格網(wǎng)法、等高線法等[6],本質(zhì)上是利用插值擬合來求解庫容體積[7]。無人智能技術(shù)擺脫了多重的外在干擾,測量可得的數(shù)值更為精準(zhǔn)[8],馬金英總結(jié)了無人機(jī)航測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)優(yōu)點[9]。

程劍剛等描述了常規(guī)庫容計算的流程[10],周長江等指出,對于復(fù)雜地形,依靠人工測量存在一定危險性,且效率較低[11]。本文以江夏區(qū)某采石場廢棄礦坑為例,采用無人機(jī)和無人船等先進(jìn)測量技術(shù)獲取礦坑的地形數(shù)據(jù),并采用等高線庫容計算方法,實現(xiàn)礦坑庫容的測算,生成數(shù)字高程模型,為廢棄礦坑綜合治理提供依據(jù)。

1 測區(qū)概況

江夏區(qū)某采石場廢棄礦坑位于G4京港澳高速西側(cè)。礦坑面積約30 000 m2,礦坑深度約30 m,常年積水,雨季水深可達(dá)20 m。礦坑周邊為農(nóng)田、林地,地形高差大,常規(guī)測量方法無法準(zhǔn)確測量礦山地形,且工作效率低下。采用無人機(jī)傾斜攝影以及無人船搭載聲波測深技術(shù)獲取礦坑水上、水下地形數(shù)據(jù),可快速、高效完成工作任務(wù)。

2 水上地形測量

廢棄礦坑地形測量分為水下地形測量和水上地形測量,本次水上地形測量采用大疆精靈4RTK無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),大疆精靈4RTK的像元大小為2.41 mm,相機(jī)焦距為8.8 mm,旁向重疊率為80%。主要工作流程見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)工作流程圖

2.1 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集

本次采用大疆精靈4RTK無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集,根據(jù)影像地面分辨率及現(xiàn)場周邊環(huán)境狀況來確定飛行高度。現(xiàn)場踏勘,周邊無高壓線、高建筑物等干擾,影像地面分別率要求2.5 cm,根據(jù)航飛高度的確定公式：

(1)

式中,H為飛行高度;f為相機(jī)焦距;a為像元大小;R為影像地面分辨率。

結(jié)合現(xiàn)場情況確定本次航高為90 m。

確定航飛高度之后,根據(jù)測區(qū)范圍.kml文件,導(dǎo)入大疆精靈4RTK無人機(jī)遙控器,自動規(guī)劃航測路線,共飛行2個架次,用時約20 min,共獲得航測相片520張。由于測區(qū)中間低四周高且高差較大,航飛前分別在測量區(qū)域四周的空曠區(qū)域人工均勻布設(shè)像控點4個,見圖2。

圖2 航飛范圍像控點分布示意圖

2.2 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理主要包括坐標(biāo)系統(tǒng)選擇、像控點刺點、空中三角測量、三維模型重建以及地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)等。本文采用的軟件為大疆智圖。空中三角測量主要包括內(nèi)定向、相對定向、絕對定向和加密點坐標(biāo)計算,空中三角測量完成后,對生成的質(zhì)量報告進(jìn)行檢查,生成的報告像控點和檢核點精度及中誤差見表1、表2。

表1 空中三角測量質(zhì)量報告像控點及檢核點精度

表2 像控點中誤差 單位：m

由表1、表2可知，空中三角測量完成后生成的質(zhì)量報告滿足要求,設(shè)置需要的模型數(shù)據(jù)類型,選擇模型重建,生成的三維模型見圖3。

圖3 測區(qū)地表三維模型

3 水下地形測量

本次水下地形測量采用華微6號無人船測量搭載Norbit多波束測深系統(tǒng),可根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置測量點距、船速、測線間距等參數(shù)。

3.1 測深原理

水深的測量是依靠安置于無人船船底的多波束測深系統(tǒng)來完成的[12]。其原理為無人船底的換能器垂直向下發(fā)射一束聲波,可以獲得無人船下方的垂直深度以及與船的航跡相垂直的面內(nèi)的幾十個水深值,一次測量即可覆蓋一個寬扇面。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收的時間差△t以及聲波在水中的傳播速度V自動計算出測點的水深D,原理公式如下：

(2)

3.2 高程計算

水底高程計算公式如下:

(3)

式中,G為水底高程;H為GPS天線相位中心高程;h為GPS天線相位中心到測深儀吃水零點高度;D為測深儀測量的水深。

3.3 無人船水深數(shù)據(jù)采集

(1)準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備工作包括RTK基準(zhǔn)站架設(shè),控制點校準(zhǔn)及結(jié)果驗證以及測線和自動導(dǎo)航任務(wù)點的規(guī)劃和下水前無人船動力、通信檢測。

(2)水深測量精度檢定。利用湖北CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK模式,設(shè)定好參數(shù),隨后用華微6號無人船的GPS模塊和Norbit多波束測深系統(tǒng)(采集的平面坐標(biāo)系統(tǒng)WH2000,高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn))分別對水面高程和水深進(jìn)行記錄,并利用海星達(dá)GPS-RTK和測深桿分別對水面高程和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。檢查對比2次吃水誤差不超過2 cm,方可進(jìn)行測量工作。

(3)下水測量。楊驥等提出了基于無人機(jī)的水庫庫容監(jiān)測方法[13],利用無人船遙控器自動規(guī)劃的航線進(jìn)行測量,不定時地人工查看無人船及數(shù)據(jù)狀態(tài)即可。

3.4 水深數(shù)據(jù)處理

無人船測量數(shù)據(jù)處理即多波束測量數(shù)據(jù)的處理,數(shù)據(jù)處理采用華測自主開發(fā)的HydroSurvey 6導(dǎo)航軟件,主要是進(jìn)行少部分的干擾波的處理,干擾波的來源情況比較復(fù)雜,如水下水草、魚群和懸浮物等。根據(jù)實際情況,進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理。提取水下地形高程數(shù)據(jù),并與水上地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊融合,生成dat格式文件,并經(jīng)過Voxler網(wǎng)格化生產(chǎn)數(shù)字高程模型，見圖4。

圖4 廢棄礦坑數(shù)字高程模型展示

4 庫容計算

為了直觀地得到礦坑庫容,王雄世等通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了庫容曲線方程[14]。受地形資料和水文監(jiān)測數(shù)據(jù)不足等條件限制,需要應(yīng)用不同的模型方法快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行分析[15],周偉等對比了庫容計算模型之間的差異,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,對各種方法的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析[16]。在水上地形和水下地形數(shù)量測量完成之后,測量的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊融合,生產(chǎn)南方CASS格式的文件,導(dǎo)入南方CASS文件生成等高距為1m閉合的等高線/等深線,提取各層等高線對應(yīng)的水域面積。

礦坑庫容計算一般有等高線容積法、斷面法、方格網(wǎng)法、三角網(wǎng)法等;斷面法一般適用于線狀工程,其他方法適用于面狀工程。本文采用等高線容積法計算礦坑庫容,庫容計算公式如下所示：

(4)

式中,V為庫容,單位為m3;Si為第i根等高線面積,單位為m2;Δhi為第i～i+1根等高線直接的高程差,單位為m;

為準(zhǔn)確測算廢棄礦坑的庫容,以當(dāng)時水面高程36.36 m,礦坑地表最低高程40 m以下進(jìn)行庫容計算。通過樣條函數(shù)對等高線面積S和高程h曲線進(jìn)行五次多項式擬合,擬合模型的精度通過R2值來確定,隨后利用模型計算出等高距為0.01 m的高程對應(yīng)的面積,通過等高線面積S對高程h的數(shù)值積分求得庫容V。擬合結(jié)果如圖5所示;5次擬合之后的R2值為0.9943,判斷擬合模型精度較高。S和h的五次多項式擬合公式如下：

圖5 S和h的五次多項式擬合曲線

(5)

式中，k=0,1,2,3,4,5；a5=0.05982;a4=-8.729;a3=503.2;a2=-1.431e+04;a1=2.012e+05;a0=-1.104e+06;

通過庫容計算公式，計算出不同水位廢棄礦坑的庫容量，如表4所示，并通過庫容計算結(jié)果繪制出庫容曲線，如圖6所示。

表4 不同水位庫容計算結(jié)果

圖6 庫容曲線

5 結(jié)束語

(1)無人智能技術(shù)在廢棄礦坑庫容計算中的應(yīng)用方便快捷、效率高,同時相對于傳統(tǒng)的人工測量具有很大的安全性上的提升。可適用范圍廣,可用于礦坑、水庫、湖泊、魚塘等多種復(fù)雜工況下的庫容測量。

(2)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理經(jīng)過空中三角測量質(zhì)量報告校準(zhǔn),保證三維模型精度要求。

(3)通過無人船獲取水下地形數(shù)據(jù),經(jīng)生產(chǎn)DEM數(shù)字高程模型,為廢棄礦坑的綜合治理提供更科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過提高無人船的采樣精度,理論上可獲取精確的庫容數(shù)據(jù)。

(4)庫容計算利用了樣條函數(shù)對S和H曲線進(jìn)行多項式擬合,計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。