郭志明
(山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司二礦,山西 陽(yáng)泉 045008)
山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司二礦在開(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)煤礦的開(kāi)采進(jìn)度、越界開(kāi)采情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以提高對(duì)礦山開(kāi)采進(jìn)度和安全性的把控能力。該礦周邊區(qū)域存在一個(gè)約153 872.4 m2的施工區(qū)域,標(biāo)高在18.4~22.5 m 之間,地形情況較為復(fù)雜,目前對(duì)礦山開(kāi)采進(jìn)度的監(jiān)測(cè)主要采用了人工利用全站儀、經(jīng)緯儀等方式測(cè)繪,然后再人工標(biāo)定的方法,不僅效率極低而且實(shí)時(shí)性差,難以滿足對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程中的快速、精確監(jiān)測(cè)需求。
項(xiàng)目組提出了一種基于無(wú)人機(jī)的礦山地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)方案,通過(guò)無(wú)人機(jī)攝像技術(shù)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)進(jìn)行拍照,然后利用軟件自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行邊界識(shí)別、變化情況對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山地質(zhì)變化情況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明,新的無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù),能夠?qū)y(cè)繪效率提升24 倍以上。
在利用無(wú)人機(jī)對(duì)礦山地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),首先要確定無(wú)人機(jī)航空攝影的范圍及地面坐標(biāo)點(diǎn),然后根據(jù)所需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的航拍路線,確保每個(gè)區(qū)域均在航拍攝影的鏡頭范圍內(nèi)。為了提高無(wú)人機(jī)攝影監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,無(wú)人機(jī)航拍路線上的攝影鏡頭需要有一定的重復(fù),保證每個(gè)點(diǎn)位都有5 張以上的攝影圖片,保證數(shù)據(jù)分析時(shí)準(zhǔn)確性。
由于單一的攝影鏡頭會(huì)存在角度偏差,無(wú)法對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,因此在無(wú)人機(jī)上,同時(shí)搭載了5 組攝像裝置,能夠從1 個(gè)垂直方向、4 個(gè)傾斜方向?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行航空測(cè)繪,通過(guò)多角度的對(duì)比分析,提高對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域測(cè)繪的精確性,每張測(cè)繪圖片均包含了測(cè)繪高度、測(cè)繪角度等,便于在進(jìn)行圖片提取和分析時(shí)的精確判斷。
數(shù)據(jù)分析階段,利用圖片識(shí)別數(shù)據(jù)生成DOM(文檔對(duì)象模型)和DSM(數(shù)字表面模型)數(shù)據(jù)信息[1],實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)情況的快速判斷。圖1 中A、B、C、D 表示航空測(cè)量中的四個(gè)測(cè)量位置,1、2、3、4 表示被測(cè)區(qū)域的四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)對(duì)每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)均進(jìn)行兩次以上的定位修正,提高定位精度[2]。
圖1 空三加密平差處理原理示意圖
項(xiàng)目采用了華測(cè)P700E 無(wú)人機(jī),搭載尼康D810 全畫幅相機(jī),鏡頭采用35 mm 鏡頭,有效像素為 3600 萬(wàn)。在進(jìn)行航拍測(cè)繪時(shí),根據(jù)旋翼無(wú)人機(jī)攝像裝置的實(shí)際攝影清晰度,選擇航拍的高度為200 m,拍攝時(shí)候的航線重疊度為65%,旁向重疊度設(shè)置為40%。航拍像控點(diǎn)布置時(shí)在其測(cè)點(diǎn)周圍設(shè)置了12 組平高控制點(diǎn),這些控制點(diǎn)設(shè)置時(shí)需要保證50 張監(jiān)測(cè)照片中至少能有10 個(gè)監(jiān)控點(diǎn),而且同一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)至少需要出現(xiàn)兩次。
由于所選擇的無(wú)人機(jī)像素為3600 萬(wàn),測(cè)量區(qū)域的最大高差為44.6 m,為了獲取較為精確的測(cè)量結(jié)果,推薦航拍高度在測(cè)量區(qū)域最大高差的4 倍左右,因此選擇航拍高度為180 m。
為了確保在測(cè)量過(guò)程中測(cè)量重疊度超過(guò)65%,根據(jù)相機(jī)的監(jiān)測(cè)范圍,在區(qū)域內(nèi)設(shè)置了4 個(gè)測(cè)量航線,在每個(gè)航線上設(shè)置10 個(gè)測(cè)控點(diǎn),用涂上紅色油漆的木樁標(biāo)記,便于航拍無(wú)人機(jī)的快速對(duì)焦。
為了確保航拍照片的精確性,航拍應(yīng)選擇在天氣良好、微風(fēng)的情況下進(jìn)行,避免風(fēng)力干擾使航空器抖動(dòng),影響航拍成像質(zhì)量,同時(shí)航拍時(shí)要避免向著太陽(yáng)光飛行,減少陽(yáng)光的干擾。
無(wú)人機(jī)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)后,利用PIX4Dmapper 建立監(jiān)測(cè)區(qū)域三維模型,然后利用未參與建??刂泣c(diǎn)的模型和外界的RTK 測(cè)量坐標(biāo)差值獲取測(cè)量區(qū)域的三維模型相關(guān)信息,其建模流程如圖2。
圖2 PIX4Dmapper 建模流程示意圖
在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí),主要是根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程來(lái)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的高精度三維坐標(biāo)方程,航空傾斜攝影坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)換方程如下[3]:
式中:f表示內(nèi)方位元素;X0、Y0表示外方位坐標(biāo)元素;X、Y、Z表示測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo);XS、YS、ZS表示測(cè)點(diǎn)方位坐標(biāo)元素。對(duì)上式變換得正交矩陣如下,a、b、c為不同位置的方位修正值[4]:
根據(jù)正交矩陣,輸入各個(gè)外方位的坐標(biāo)元素,將其導(dǎo)入到共線方程內(nèi),即可獲取實(shí)際的地面三維數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪區(qū)域土石方情況的精確測(cè)量。
對(duì)礦山開(kāi)采量和剩余儲(chǔ)量的監(jiān)測(cè),主要是對(duì)礦山開(kāi)采情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),便于判斷礦山的開(kāi)挖量和礦山的剩余儲(chǔ)量,防止出現(xiàn)超挖、超采的情況。
對(duì)礦山開(kāi)采體積和剩余礦產(chǎn)情況的監(jiān)測(cè),主要是利用土石方開(kāi)挖情況來(lái)計(jì)算的[5]。在監(jiān)測(cè)時(shí),以礦權(quán)界限為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段的DSM 數(shù)據(jù)分析,按礦區(qū)內(nèi)的最大開(kāi)采深度進(jìn)行填挖分析。在分析中的填方體積就是礦山區(qū)域的開(kāi)采體積,而剩余體積是指在礦區(qū)范圍內(nèi),利用現(xiàn)有的DSM 數(shù)據(jù)[6]依據(jù)最大的開(kāi)采深度進(jìn)行填挖方分析,填挖方結(jié)果中的挖方體積就是礦山區(qū)域的剩余體積。最后再根據(jù)開(kāi)采區(qū)域的礦石密度和礦石轉(zhuǎn)換率,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采量和剩余量的監(jiān)測(cè),其算法流程如圖3[7]。
圖3 礦區(qū)開(kāi)采剩余儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)流程示意圖
礦山的開(kāi)采有嚴(yán)格的區(qū)域限制,當(dāng)超出開(kāi)采區(qū)域后不僅會(huì)嚴(yán)重影響周圍的環(huán)境,而且還會(huì)給周圍居民的生產(chǎn)、生活帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。因此為了維護(hù)礦山采礦權(quán)的界限范圍,需要對(duì)礦山的開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè),避免出現(xiàn)偷挖、超挖的情況。
在對(duì)礦山進(jìn)行越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)時(shí),以礦山采礦權(quán)界限為基礎(chǔ),向外側(cè)推移20 m 作為一個(gè)緩沖區(qū)域[8]。首先對(duì)該區(qū)域內(nèi)的DSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)開(kāi)采深度是否低于規(guī)定的最大開(kāi)采高度。若該區(qū)域內(nèi)存在超過(guò)最大運(yùn)行開(kāi)采高度的情況,則判別該處出現(xiàn)了越界開(kāi)采;或者在緩沖區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了土石方開(kāi)挖情況,則同時(shí)判斷該區(qū)域出現(xiàn)了越界開(kāi)采情況。礦山區(qū)域越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)流程如圖4[9]。
圖4 礦山開(kāi)采范圍內(nèi)越界開(kāi)采判斷流程示意圖
以越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)為例,其總區(qū)域面積為1 613 928.6 m2,按照傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的方式,每次越界監(jiān)測(cè)時(shí),需要4 人配合,約6 h 才能完成,而采用新的基于無(wú)人機(jī)的礦山地質(zhì)測(cè)繪方案后,只需要1 個(gè)人,約1 h 即可完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地質(zhì)測(cè)繪、圖像對(duì)比和數(shù)據(jù)分析。當(dāng)確認(rèn)可能存在越界開(kāi)采的區(qū)域后,安排工作人員再進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核即可。其整體的測(cè)繪效率是傳統(tǒng)人工測(cè)繪效率的約24 倍,具有測(cè)繪效率高、精確度好的優(yōu)點(diǎn)。礦山地質(zhì)測(cè)繪對(duì)比結(jié)果如圖5。
圖5 礦山地質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果
礦山地質(zhì)測(cè)繪新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用表明:
1)無(wú)人機(jī)測(cè)繪時(shí),需要從1 個(gè)垂直方向、4 個(gè)傾斜方向?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行航空測(cè)繪,通過(guò)多角度的對(duì)比分析,提高對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域測(cè)繪的精確性;
2)新的無(wú)人機(jī)礦山地質(zhì)測(cè)繪技術(shù),能夠?qū)y(cè)繪效率提升24 倍以上,實(shí)現(xiàn)了礦山地質(zhì)變化的自動(dòng)對(duì)比分析,具有測(cè)繪效率高、精確度好的優(yōu)點(diǎn)。