無人機(jī)傾斜攝影的露天煤礦開采區(qū)域劃定方法

張禎巖

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰）

引言

露天煤礦開采區(qū)域的劃分通常是對可覆蓋范圍之內(nèi)的煤礦進(jìn)行空間上的區(qū)域鎖定，為后續(xù)相關(guān)開采工作的執(zhí)行提供便利條件。初始的露天煤礦開采區(qū)域劃定結(jié)構(gòu)多為單向的，參考文獻(xiàn)設(shè)定[1]和文獻(xiàn)[2]，設(shè)定傳統(tǒng)綜采工作面智能化煤礦開采區(qū)域劃定方法、傳統(tǒng)多參量煤礦開采區(qū)域劃定方法，這一類劃定方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的任務(wù)及目標(biāo)，但是常常受到外部環(huán)境及特定因素的影響，導(dǎo)致最終得出的劃定結(jié)果出現(xiàn)誤差。為此提出對無人機(jī)傾斜攝影的露天煤礦開采區(qū)域劃定方法的設(shè)計與驗證分析。

1 設(shè)計露天煤礦開采區(qū)域無人機(jī)傾斜攝影劃定方法

1.1 煤礦開采區(qū)域劃定指標(biāo)設(shè)定及數(shù)據(jù)采集

利用協(xié)調(diào)映射算法的Delaunay 三邊界區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)，先在指定的總開采區(qū)域中設(shè)置對接點，分別布設(shè)在各個邊緣線之上，使用三角網(wǎng)格的限制方式，完成對開采區(qū)域的模糊劃分[3]。根據(jù)Eck 方法搭配無人機(jī)傾斜拍攝技術(shù)，將設(shè)定的節(jié)點與Delaunay 三邊界區(qū)域?qū)狱c、無人機(jī)程序進(jìn)行搭接，形成一個循環(huán)性的控制結(jié)構(gòu)。過程中使用三維虛擬處理技術(shù)，在可控的區(qū)域之內(nèi)繪制三角網(wǎng)格，在劃分的模糊區(qū)域范圍之內(nèi)，進(jìn)行協(xié)調(diào)映射處理，并計算出模糊區(qū)域劃分的對偶值，具體如下公式(1)所示：

根據(jù)表1，完成對初始數(shù)據(jù)項目采集的設(shè)定，營造穩(wěn)定的煤礦開采區(qū)域劃定環(huán)境，為后續(xù)工作的執(zhí)行提供參考依據(jù)。

表1 初始數(shù)據(jù)項目采集設(shè)定表

1.2 部署多目標(biāo)開采區(qū)域劃定傾斜攝影邊界節(jié)點

單向的煤礦開采區(qū)域劃定節(jié)點覆蓋范圍較小，導(dǎo)致區(qū)域劃定精度不高，影響后續(xù)的處理以及施工。結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，進(jìn)行多目標(biāo)開采區(qū)域劃定傾斜攝影邊界節(jié)點的部署。利用InSAR 形變觀測方式，先明確劃定邊緣位置，并計算出區(qū)域劃定邊緣值[4]，具體如下公式(2)所示：

隨即，以此為基礎(chǔ)，在區(qū)域范圍之內(nèi)設(shè)置多個區(qū)域劃定目標(biāo)，在邊界位置安裝總控節(jié)點，對當(dāng)前部署的節(jié)點進(jìn)行搭接與關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步擴(kuò)大實際的區(qū)域劃定范圍，實時監(jiān)測也可以幫助工作人員掌握最新的開采區(qū)域劃分?jǐn)?shù)據(jù)信息，便于后續(xù)的開采與煤礦挖掘，降低整體的安全隱患，提升區(qū)域劃定效率。

需要注意的是，無人機(jī)傾斜拍攝時，內(nèi)置的程序需要與地面設(shè)定的多目標(biāo)邊緣節(jié)點建立對應(yīng)的匹配映射關(guān)系，這樣的形式可以更好地明確、掌握開采區(qū)域各個位置的變動情況以及開采進(jìn)度，最大程度消除存在的區(qū)域劃定誤差，營造高效、協(xié)調(diào)的處理環(huán)境。此外，無人機(jī)傾斜攝影還可以保留各個周期的開采區(qū)域變動數(shù)據(jù)和信息，有利于后續(xù)相關(guān)工作的處理和執(zhí)行，具有實踐意義。

1.3 構(gòu)建無人機(jī)傾斜攝影開采區(qū)域劃定模型

無人機(jī)傾斜攝影對于煤礦開采區(qū)域的劃定較為靈活，能夠自動調(diào)節(jié)實際的虛擬拍攝劃定角度，自動采集實時數(shù)據(jù)以及信息，具有效率高、不受空間高度限制等特點。因此，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建交互處理模型[5]。首先，制定一個基礎(chǔ)的測繪標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整無人機(jī)傾斜拍攝的曝光時間、拍照平面水平位置、飛行高度、飛行姿態(tài)等。在可控的初始模型之中設(shè)定一個傳感裝置，與傾斜拍攝程序建立映射聯(lián)系，調(diào)整攝影劃定數(shù)值，如表2 所示。

表2 無人機(jī)傾斜攝影開采區(qū)域劃定數(shù)值表

根據(jù)表2，完成對無人機(jī)傾斜攝影開采區(qū)域劃定數(shù)值的設(shè)置與調(diào)整。接下來，利用模型對基礎(chǔ)的劃定點進(jìn)行標(biāo)記，具體如圖1 所示：

圖1 無人機(jī)傾斜攝影煤礦開采區(qū)域標(biāo)點圖示

根據(jù)圖1，完成對無人機(jī)傾斜攝影煤礦開采區(qū)域標(biāo)點的設(shè)置，以此為基礎(chǔ)，明確具體的開采劃定區(qū)域，構(gòu)建對應(yīng)的煤礦開采區(qū)域劃定流程，如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影開采區(qū)域劃定模型執(zhí)行流程圖

依據(jù)圖2，實現(xiàn)對無人機(jī)傾斜攝影開采區(qū)域劃定模型執(zhí)行流程的設(shè)計與實踐應(yīng)用，結(jié)合無人機(jī)拍攝獲取的基礎(chǔ)數(shù)值以及信息，進(jìn)行開采區(qū)域點位的鎖定及區(qū)域邊緣的劃分，形成模糊的劃定結(jié)果，完成這一環(huán)節(jié)的區(qū)域劃定處理整合。

1.4 網(wǎng)格簡化處理實現(xiàn)區(qū)域劃定

網(wǎng)格簡化處理實際上是一種多維定向的區(qū)域劃分技術(shù)，一般多針對大規(guī)模的區(qū)域劃定，結(jié)合上述設(shè)計的無人機(jī)傾斜攝影區(qū)域劃定模型，進(jìn)行范圍的細(xì)化明確。利用網(wǎng)格化的方式，將礦山的開采區(qū)域均等劃分，在核心位置設(shè)置一個輔助坐標(biāo)，標(biāo)定出核心的點位，具體如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格簡化處理結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖3，完成對網(wǎng)格簡化處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計，隨即，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對各個區(qū)域的煤礦開采狀態(tài)進(jìn)行獲取分析，測定出區(qū)域劃定的真實性與合理性，與模型輸出的模糊結(jié)果進(jìn)行比對，確保劃定效果。

2 方法測試

2.1 測試準(zhǔn)備

選定G 露天煤礦作為測試的主要目標(biāo)對象，設(shè)定傳統(tǒng)綜采工作面智能化煤礦開采區(qū)域劃定測試組、傳統(tǒng)多參量煤礦開采區(qū)域劃定測試組以及本文方法測試組。結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對選定的G 露天煤礦開采區(qū)域劃定方法測試環(huán)境關(guān)聯(lián)與搭建。該工程的規(guī)模相對較大，煤礦核定能力為125 Mt/a，礦井面設(shè)置32.48 km2。地面可控的標(biāo)高為+ 167 ～+ 4 200 m 之間，煤礦工程為露天開采類型，方向較為繁雜。所以，為確保最終測試結(jié)果的真實合理，需要明確煤礦實際的覆蓋開采面積，選定5 個大區(qū)測定，每一個區(qū)域均需要部署一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點，便于實時數(shù)據(jù)以及信息的匯總整合。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在上述設(shè)計的測試環(huán)境之中，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對選定的G 露天煤礦開采區(qū)域劃定方法進(jìn)行測定與驗證分析。首先，結(jié)合當(dāng)前的煤礦開采進(jìn)度，對基礎(chǔ)的劃定區(qū)域作出標(biāo)定，利用無人機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行三維性掃描，獲取初始的測定數(shù)據(jù)以及信息，匯總整合之后，以待后續(xù)的使用。進(jìn)行無人機(jī)基礎(chǔ)控制數(shù)值設(shè)置，如表3 所示。

表3 無人機(jī)基礎(chǔ)控制數(shù)值設(shè)定表

根據(jù)表3，完成對無人機(jī)基礎(chǔ)控制數(shù)值的設(shè)定。隨即，明確煤礦開采的核心位置標(biāo)點，利用無人機(jī)進(jìn)行傾斜定位的搭建關(guān)聯(lián)，接收對應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)值，對選定的5 個區(qū)域進(jìn)行覆蓋性識別處理，同時計算出開采區(qū)域劃定STD 值，具體如下公式(3)所示：

根據(jù)圖4，完成對測試結(jié)果的分析：對比于傳統(tǒng)綜采工作面智能化煤礦開采區(qū)域劃定測試組、傳統(tǒng)多參量煤礦開采區(qū)域劃定測試組，此次所設(shè)計的無人機(jī)傾斜攝影露天煤礦開采區(qū)域劃定測試組最終得出的開采區(qū)域劃定STD 值被較好地控制在2.35 以下，說明在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的輔助下，當(dāng)前對于煤礦開采區(qū)域的劃定更為精準(zhǔn)，誤差可控，具有實際的應(yīng)用價值。

圖4 測試結(jié)果對比分析圖示

結(jié)束語

綜合上述分析，便是對無人機(jī)傾斜攝影的露天煤礦開采區(qū)域劃定方法的設(shè)計與驗證分析，與初始的煤礦開采區(qū)域劃定形式相比對，此次結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，所構(gòu)建的開采區(qū)域劃定整體結(jié)構(gòu)相對更加靈活、多變，自身具有較強(qiáng)的針對性，在面對不同的煤礦開采背景時，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以精準(zhǔn)定位當(dāng)前的區(qū)域劃分點位，增加劃定的合理性與穩(wěn)定性，促使各個區(qū)域建立實踐應(yīng)用聯(lián)系利用SURFER軟件與AutoCAD 輔助標(biāo)定，提升實測劃定效果，滿足煤礦開采工作要求的同時，營造更加真實、可靠的施工建設(shè)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。