陳 杭 邢亞東 鄧超云

(中國市政工程中南設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)境安全構成了嚴重威脅,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。

通過無人智能技術測量生成的地形表達完整,外業(yè)工作量小,內業(yè)自動化程度高[1]。新技術不僅降低了成本同時提高了效率[2]。該類技術不受地形和環(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,無人機傾斜攝影測量技術在地形測量中的運用越來越廣泛[5]。外業(yè)進行數(shù)據(jù)采集后,還需要內業(yè)進行礦坑庫容的計算,庫容計算的方法有DEM法、斷面法、格網(wǎng)法、等高線法等[6],本質上是利用插值擬合來求解庫容體積[7]。無人智能技術擺脫了多重的外在干擾,測量可得的數(shù)值更為精準[8],馬金英總結了無人機航測技術發(fā)展現(xiàn)狀及技術優(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,采用無人機和無人船等先進測量技術獲取礦坑的地形數(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。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)測量方法無法準確測量礦山地形,且工作效率低下。采用無人機傾斜攝影以及無人船搭載聲波測深技術獲取礦坑水上、水下地形數(shù)據(jù),可快速、高效完成工作任務。

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無人機傾斜攝影技術,大疆精靈4RTK的像元大小為2.41 mm,相機焦距為8.8 mm,旁向重疊率為80%。主要工作流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影技術工作流程圖

2.1 無人機影像數(shù)據(jù)采集

本次采用大疆精靈4RTK無人機進行影像數(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?，F(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為相機焦距;a為像元大小;R為影像地面分辨率。

結合現(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,導入大疆精靈4RTK無人機遙控器,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 無人機影像數(shù)據(jù)處理

無人機影像數(shù)據(jù)處理主要包括坐標系統(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?？罩腥菧y量主要包括內定向、相對定向、絕對定向和加密點坐標計算,空中三角測量完成后,對生成的質量報告進行檢查,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量報告滿足要求,設置需要的模型數(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)準備工作。準備工作包括RTK基準站架設,控制點校準及結果驗證以及測線和自動導航任務點的規(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RTK模式,設定好參數(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)(采集的平面坐標系統(tǒng)WH2000,高程基準為1985國家高程基準)分別對水面高程和水深進行記錄,并利用海星達GPS-RTK和測深桿分別對水面高程和水深數(shù)據(jù)進行采集。檢查對比2次吃水誤差不超過2 cm,方可進行測量工作。

(3)下水測量。楊驥等提出了基于無人機的水庫庫容監(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導航軟件,主要是進行少部分的干擾波的處理,干擾波的來源情況比較復雜,如水下水草、魚群和懸浮物等。根據(jù)實際情況,進行數(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)學推導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,需要應用不同的模型方法快速、準確地進行分析[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)進行對比,對各種方法的結果進行統(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)進行接邊融合,生產(chǎn)南方CASS格式的文件,導入南方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;

為準確測算廢棄礦坑的庫容,以當時水面高程36.36 m,礦坑地表最低高程40 m以下進行庫容計算。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，并通過庫容計算結果繪制出庫容曲線，如圖6所示。

表4 不同水位庫容計算結果

圖6 庫容曲線

5 結束語

(1)無人智能技術在廢棄礦坑庫容計算中的應用方便快捷、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、魚塘等多種復雜工況下的庫容測量。

(2)無人機影像數(shù)據(jù)處理經(jīng)過空中三角測量質量報告校準,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的基礎數(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曲線進行多項式擬合,計算結果更加準確。