基于無人機在火電廠露天儲煤場儲量測量應(yīng)用

黃錦財

中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊，福建 福州 350001

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展人民生活水平不斷的提高，各類現(xiàn)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(fā)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(chǎn)經(jīng)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(shù)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(shù)與傳統(tǒng)測量技術(shù)比較

1.1 傳統(tǒng)測量的不足

在使用傳統(tǒng)人工測量技術(shù)時受煤場場地因數(shù)、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(huán)境下煤會自燃，對于傳統(tǒng)測量技術(shù)需要人員與測量環(huán)境直接接觸，在這環(huán)境下有很大人身安全隱患，對數(shù)據(jù)采集精度也不高。同時工作量較大，人工費用高，經(jīng)濟效益差。使用激光雷達盤煤測量，過程復(fù)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(jīng)濟損失。

1.2 無人機傾斜攝影的優(yōu)勢

煤場堆放往往是不規(guī)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(yè)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(yè)用時短［2］?，F(xiàn)有傾斜測量技術(shù)在傳統(tǒng)航測上就行傳承與創(chuàng)新，可從各姿態(tài)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(yīng)物體的空間形態(tài)。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(xiàn)場作業(yè)提高了人員安全保障。

2 無人機傾斜攝影技術(shù)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(jié)合使用解算無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)，計算煤方量技術(shù)流程如下：

（1）制定飛行計劃，查閱相關(guān)資料確定是否屬于禁飛區(qū)域。

（2）實地勘察，制定飛行高度。規(guī)劃航線并根據(jù)航線布置像控點，一般像控點布設(shè)在測區(qū)的四個角點控制整個測區(qū)，測區(qū)內(nèi)的高低處都應(yīng)布設(shè)，但控制點也不應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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

3 實例應(yīng)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(shù)據(jù)采集并進行煤方量計算。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

該場地長約400m 寬約250m，在兩條長邊上各設(shè)3 個像控點。根據(jù)測量區(qū)域確定飛行范圍，根據(jù)航空攝影測量作業(yè)規(guī)范要求航向應(yīng)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(yīng)為30%～35%。為了確保數(shù)據(jù)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(shè)置為80m 進行飛行?？紤]飛機的拍攝角度及邊緣物體的立體成像，在測區(qū)范圍外各增設(shè)一條航線。

3.2 航測數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，內(nèi)業(yè)采用Pix4D 軟件進行數(shù)據(jù)處理流程見圖1。成果輸出后，利用Global-Mapper 軟件進行數(shù)據(jù)整理輸出點坐標數(shù)據(jù)并利用南方CASS 軟件進行計算。

3.3 煤方量計算

經(jīng)過處理分別得到兩期煤方的地表數(shù)字高程數(shù)據(jù)及DOM數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)為其機械梁臂上的高程，可通過DOM 資料及結(jié)合周邊高程可剔除測區(qū)內(nèi)高程異常數(shù)據(jù)。根據(jù)最終的有效高程數(shù)據(jù)進行分析疊加，即可求出區(qū)域里煤方的總量。此計算方法與兩區(qū)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(shù)據(jù)（高程數(shù)據(jù)），導入南方CASS 軟件中，生產(chǎn)TIN 三角網(wǎng)文件命名T1。

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

（3）在南方CASS 軟件中，打開工程應(yīng)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(shù)據(jù)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(tǒng)GPS-RTK 方法同時對煤堆進行數(shù)據(jù)采集。分析測區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)堆煤后30 個特征點，用GPS-RTK 及無人機解算后的DEM 數(shù)據(jù)分別采集其高程點進行較差分析見表1，其高程數(shù)據(jù)滿足1 ∶500 大比例尺低空數(shù)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(tǒng)計表

采用同樣CASS 計算方法將傳統(tǒng)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(jié)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(guī)范要求，結(jié)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(jié)語

無人機傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)采集簡單靈活、測量精度較高、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性好、勞動力輸出少、生產(chǎn)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(shù)的可行性及精度的可靠性。無人機傾斜攝影技術(shù)特點在礦山管理、竣工驗收、工程勘察設(shè)計、農(nóng)村地籍等領(lǐng)域同樣可得到廣泛的運用。