基于無人機(jī)技術(shù)的垃圾填埋場巡檢技術(shù)研究*

胡良軍 陳曉強(qiáng)

1. 廣州市市政工程試驗(yàn)檢測有限公司 廣東 廣州 510520；2. 廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510440；3. 清華大學(xué)博士后流動站 北京 100084；4. 廣州環(huán)投環(huán)境服務(wù)有限公司 廣東 廣州 510540

引言

近年來覆膜處理技術(shù)越來越多地應(yīng)用在新型衛(wèi)生填埋場。覆膜處理技術(shù)可有效控制填埋區(qū)露天作業(yè)面積，有效減少雨水滲入垃圾堆體，防止堆體近表面污染氣體擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場雨污分流、減少滲濾液產(chǎn)生，減輕對周圍環(huán)境的負(fù)擔(dān)。覆膜所用的HDPE膜是一種柔性土工膜材料，具有滲透系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度好、耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性等特點(diǎn)[1]。在不同季節(jié)覆膜區(qū)的氣體污染物總化學(xué)濃度和臭氣濃度相比暴露區(qū)大幅下降[2-3]。

1 研究背景

興豐填埋場位于廣州市，是具有國際水準(zhǔn)的現(xiàn)代化生活垃圾衛(wèi)生填埋場。該填埋場是國內(nèi)首個(gè)采用雙襯層防滲系統(tǒng)和反滲透工藝處理滲濾液等高新技術(shù)建設(shè)的垃圾填埋場，實(shí)現(xiàn)了污水零排放[4]。

填埋場已停止垃圾填埋，目前主要處理垃圾焚燒后的飛灰，并對垃圾堆體產(chǎn)生廢水、氣體進(jìn)行綜合處理與利用[5-7]。日常有專班組負(fù)責(zé)對垃圾覆膜進(jìn)行表面完整性檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)表面破損、刺穿、撕裂等病害并安排維修，防止有害氣體擴(kuò)散，同時(shí)避免因覆膜破損導(dǎo)致雨水下滲造成垃圾滲濾液流量增加。然而常規(guī)人工巡檢難以對這些病害進(jìn)行全面細(xì)致的摸查，且勞動強(qiáng)度，在填埋區(qū)行走安全風(fēng)險(xiǎn)大。

無人機(jī)技術(shù)近年來快速發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于各種工程場景，提升了檢測效率，為實(shí)現(xiàn)自動巡查、特征智能識別提供了可能。本文提出建立基于無人機(jī)航拍技術(shù)的填埋場覆膜破損狀況快速巡檢方法，包括對覆膜刺穿、撕裂類病害的巡檢檢測。結(jié)合垃圾填埋場所處的地理?xiàng)l件和病害類型，對無人機(jī)的適應(yīng)性、測試速度、路徑規(guī)劃進(jìn)行現(xiàn)場測試。該巡檢方法對于后期建立可見光下覆膜病害圖像樣本庫、建立基于圖像樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和動態(tài)監(jiān)測覆膜狀況起著關(guān)鍵作用。

2 測試準(zhǔn)備

2.1 測試區(qū)域

填埋場采用的土工合成材料覆膜厚度1.5mm，在遭遇尖銳物體時(shí)或應(yīng)力集中時(shí)會發(fā)生刺穿或撕裂現(xiàn)象。由于醫(yī)療區(qū)垃圾堆體的危害性大、刺穿的可能性高，是人工巡查的難點(diǎn)和重點(diǎn)。一旦刺穿將造成雨水滲入、廢液增多的問題。本測試主要針對興豐填埋場醫(yī)療區(qū)堆體覆膜展開巡查。

2.2 測試設(shè)備

通過前期測試，確定了采用大疆經(jīng)緯M300RTK作為本測試的巡檢無人機(jī)（圖1）。鏡頭采用禪思P1全畫幅航測鏡頭（圖2）。P1集成了全畫幅4500萬圖像傳感器與三軸云臺，能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步技術(shù)、智能擺動拍攝、可更換定焦鏡頭的功能。

圖1 大疆經(jīng)緯M300RTK無人機(jī)

圖2 禪思P1全畫幅航測鏡頭

3 測試過程

3.1 測試流程

①對垃圾填埋場進(jìn)行整體的航測，生成數(shù)字正攝影像圖、數(shù)字高程模型和三維實(shí)景模型；②基于數(shù)字正攝影像圖確定缺陷監(jiān)測的區(qū)域，再基于數(shù)字高程模型規(guī)劃生成貼近攝影飛行航線；③使用大疆經(jīng)緯M300RTK無人機(jī)掛在禪思P1全畫幅航測相機(jī)（鏡頭焦距35mm）對缺陷監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行航拍；④對缺陷位置進(jìn)行識別，并在三維模型上準(zhǔn)確定位缺陷的位置。

3.2 無人機(jī)貼近攝影航線設(shè)置

由于醫(yī)療器械區(qū)的刺破多，病害多，人工巡查難度大、危險(xiǎn)性高，本文對醫(yī)療器械區(qū)進(jìn)行貼近攝影。無人機(jī)貼近攝影航線如圖3所示。

圖3 無人機(jī)貼近攝影航線

3.3 飛行器及相機(jī)參數(shù)設(shè)置

通過無人機(jī)在不同高度飛行的兩個(gè)巡查方案A和B，獲得不同分辨率的圖像樣本，如表1所示。方案A飛行高度為7.99m，飛行速度2m/s，方案B飛行高度為15.97m，飛行速度4m/s，兩種方案的拍攝重疊度設(shè)置為20%。

表1 巡查方案

4 測試結(jié)果

飛行測試結(jié)果如表1所示。對比在低航高8mm飛行，重疊度在20%的情況下，高航高16mm飛行時(shí)間縮短71.5%，照片數(shù)量減少72.6%，影像分辨率2mm。低航高飛行時(shí)，影像分辨率1mm。

不同分辨率條件下的缺陷照片效果對比如圖4所示。通過對比觀察航拍圖像，可以發(fā)現(xiàn)采用無人機(jī)可見光航拍方法，所獲得的圖像分辨率在2mm和1mm時(shí)都能夠?qū)μ盥駡龈材と毕葸M(jìn)行有效辨別。選擇分辨率為2mm的航拍方案B，效率更高，處理圖像數(shù)據(jù)更少。通過設(shè)置自動航行路線，能有效減少對飛手的依賴，實(shí)現(xiàn)快速化和智能化獲取數(shù)據(jù)，對下一步建立病害圖像識別系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

圖4 不同分辨率情況下缺陷位置照片效果對比

5 結(jié)束語

基于本文的無人機(jī)可見光航拍方法適用性研究結(jié)果，確定滿足超大型垃圾填埋場堆體覆膜缺陷識別要求的最優(yōu)設(shè)備、飛行高度、軌跡、拍攝時(shí)間等參數(shù)。根據(jù)超大型垃圾填埋場堆體特征設(shè)置合理的巡航路線貼近邊坡進(jìn)行拍攝，有效減少碰撞導(dǎo)致的無人機(jī)墜落事故，提高無人機(jī)現(xiàn)場檢測效率，優(yōu)化采集邊坡病害圖像的可識別率。在此基礎(chǔ)上，可建立適用于超大型垃圾填埋場堆體的智能巡檢技術(shù)，并針對無人機(jī)巡檢發(fā)現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行人工復(fù)核及加密監(jiān)測。為評估覆膜完整性情況、開展定期集中覆膜修復(fù)工作提供指導(dǎo)。