本發(fā)明屬于礦業(yè)工程采煤地表沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種植被稀少的平原區(qū)采煤地表沉陷量的監(jiān)測(cè)計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

采煤地表沉陷是一種由采煤引起的地表塌陷現(xiàn)象，具有影響面積大和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，它的出現(xiàn)常常伴隨著地表移動(dòng)變形的破壞，導(dǎo)致地表出現(xiàn)塌陷裂縫、塌陷坑、塌陷槽和伴生滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)地表交通、建筑、通訊和水利等設(shè)施均可造成不同程度的危害，嚴(yán)重威脅著礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。開展礦區(qū)采煤地面沉陷監(jiān)測(cè)可為礦區(qū)土地資源和建筑物保護(hù)、損害評(píng)價(jià)及管理提供依據(jù)，也對(duì)采煤地面塌陷災(zāi)害的防治具有重要意義。

目前，采煤地表沉陷多采用建立地表巖移觀測(cè)站、利用全站儀等進(jìn)行人工測(cè)量的方法觀測(cè)，但這種傳統(tǒng)觀測(cè)方法工作效率低、成本高且監(jiān)測(cè)范圍有限，一般僅用于地表巖移規(guī)律研究，而不能用于采煤地表沉陷調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作之中。近年來，國土資源部門開展了利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和航空遙感技術(shù)進(jìn)行采煤沉陷調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作，但存在著因影像分辨率低而無法識(shí)別較小寬度地表裂縫的問題，也存在著不能通過影像進(jìn)行采煤地表沉陷量計(jì)算等問題。無人機(jī)遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無疑為上述問題的解決提供了一種新思路。目前已開展的無人機(jī)遙感技術(shù)在采煤沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究工作表明，無人機(jī)遙感影像能夠快速有效地識(shí)別地表沉陷裂縫，是采煤沉陷監(jiān)測(cè)的一種好方法。采煤地表沉陷量等參數(shù)值是評(píng)價(jià)采動(dòng)損害的重要指標(biāo)，但如何利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行采煤地表沉陷量等地表移動(dòng)參數(shù)的計(jì)算，尚未見研究報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種基于無人機(jī)遙感的采煤地表沉陷量監(jiān)測(cè)計(jì)算的方法，該方法步驟簡(jiǎn)單、成本低、速度快、計(jì)算結(jié)果可靠，能迅速而準(zhǔn)確地完成采煤地面沉陷監(jiān)測(cè)的任務(wù)，進(jìn)而對(duì)植被稀少的更大范圍平原區(qū)采煤地表沉陷進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的的技術(shù)方案如下所述。

一種基于無人機(jī)遙感的采煤地表沉陷量監(jiān)測(cè)計(jì)算的方法，其特征在于利用小型無人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)采煤地表沉陷量進(jìn)行計(jì)算，過程如下：

步驟一、無人機(jī)航線設(shè)計(jì)：根據(jù)研究區(qū)地形地貌、范圍、位置和地面分辨率規(guī)劃無人機(jī)飛行航線；

無人機(jī)航線主要包括航高、重疊率和航向，過程如下：

步驟101、航高確定：根據(jù)公式

計(jì)算得到一定地面分辨率對(duì)應(yīng)下的飛行高度h，h的單位為米；公式(1)中，gsd為地面分辨率，單位為米；f為相機(jī)鏡頭焦距，單位為毫米；a為相機(jī)像元尺寸，單位為微米；

步驟102、重疊率確定：根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征確定，一般設(shè)定平原區(qū)航向和旁向重疊率分別為60％和40％，山區(qū)航向和旁向重疊率分別為80％和60％；

步驟103、航向確定：根據(jù)研究區(qū)形狀沿研究區(qū)主軸向布置確定；

步驟二、無人機(jī)航拍：將設(shè)計(jì)的航線導(dǎo)入無人機(jī)，操控?zé)o人機(jī)按設(shè)定航線飛行并間隔航拍采集研究區(qū)遙感影像；每一架次航拍完成后導(dǎo)出采集到的遙感圖像和坐標(biāo)pos數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重疊度和影像質(zhì)量的檢查；

步驟三、遙感圖像處理：將無人機(jī)航拍得到的遙感影像和坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入pix4dmapper2.0專業(yè)遙感圖像處理軟件，先后完成圖像拼接、點(diǎn)云加密、dom和dsm生成處理，并按1000cm的格網(wǎng)密度大小導(dǎo)出研究區(qū)內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、…、p’n的平面坐標(biāo)x、y和大地高z大；

步驟四、地面控制測(cè)量：根據(jù)研究區(qū)范圍和地理特征布設(shè)若干數(shù)量控制點(diǎn)，并對(duì)這些點(diǎn)逐一進(jìn)行測(cè)量，具體做法如下：

步驟401、控制測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定和布設(shè)：將無人機(jī)航測(cè)得到的各點(diǎn)p’1、p’2、p’3、…、p’n展布在研究區(qū)圖上，根據(jù)研究區(qū)面積和地形地貌從這些點(diǎn)中選擇m個(gè)地面測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、…、pm(m≥5)，測(cè)量點(diǎn)均勻分布在研究區(qū)內(nèi)，以一個(gè)綜采工作面為例，地面控制測(cè)量的點(diǎn)分布在工作面的四個(gè)角落和中心位置，并且數(shù)量不少于5個(gè)；

步驟402、控制點(diǎn)測(cè)量：分別對(duì)地面測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、…、pm進(jìn)行放樣，并按高程四等水準(zhǔn)測(cè)量的高精度控制測(cè)量要求對(duì)這些地面測(cè)量點(diǎn)一一施測(cè)，得到各測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、…、pm的正常高z正；

步驟五、gps高程擬合校正：根據(jù)地面控制測(cè)量結(jié)果，采用4參數(shù)曲面擬合的gps高程擬合校正模型對(duì)無人機(jī)航測(cè)得到的三維坐標(biāo)進(jìn)行校正，過程如下：

步驟501、4參數(shù)計(jì)算：根據(jù)公式

h正＝h大-ζi(i＝1,2,3,…,m)(2)

計(jì)算出各公共點(diǎn)p1、p2、p3、...、pm對(duì)應(yīng)的高程異常值ζi，公式(2)中，h正為正常高值，h大為大地高值，單位均為米；ζi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、…、pm對(duì)應(yīng)的高程異常值；并根據(jù)公式

ζi＝a0+a1xi+a2yi+a3xiyi(i＝1,2,3,…,m)(3)

計(jì)算得到a0、a1、a2和a3這4個(gè)參數(shù)的值，公式(3)中，a0、a1、a2和a3為未知參數(shù)，ζi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、...、pm高程異常值，單位為米，xi和yi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、...、pm對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)，單位為米；

由于公共點(diǎn)的數(shù)目大于4個(gè)，列出相應(yīng)的誤差方程

vi＝a0+a1xi+a2yi+a3xiyi-ζi(i＝1,2,3,…,m)(4)，

公式(4)中，vi為誤差值；寫成矩陣形式為

v＝xa-ζ(5)，

公式(5)中，

根據(jù)最小二乘法原理可求得

步驟502、精度評(píng)定：gps高程擬合校正包括內(nèi)符合精度和外符合精度，過程如下：

步驟5021、內(nèi)符合精度確定：根據(jù)公式

vi＝ζi-ζi'(7)

計(jì)算得到擬合模型的殘差vi，公式(7)中，vi為擬合殘差，ζi為n個(gè)參與擬合計(jì)算已知點(diǎn)的實(shí)際值，ζi'為n個(gè)參與擬合計(jì)算已知點(diǎn)的擬合值；并根據(jù)公式

計(jì)算擬合模型的內(nèi)符合精度m內(nèi)，公式(8)中，m內(nèi)為內(nèi)符合精度，vi為擬合殘差，n'為參與擬合計(jì)算的已知點(diǎn)數(shù)量；

步驟5022、外符合精度確定：根據(jù)公式

計(jì)算擬合模型的外符合精度m外；公式(9)中，m外為外符合精度，vi為擬合殘差，m'為檢核點(diǎn)數(shù)量；

步驟503、高程校正：將公式(6)得到的各參數(shù)a0、a1、a2和a3代入公式(3)可求得所有網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n的高程異常ζi(i＝1,2,3,…,n)，將ζi代入公式(2)即可得到所有網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n的正常高h(yuǎn)校正；

步驟六、沉陷量計(jì)算：利用校正后得到的地表高程值與開采前地形圖高程值進(jìn)行比較，計(jì)算開采后地表沉陷量；

將gps高程擬合校正后得到的平面點(diǎn)p”1、p”2、p”3、...、p”n的坐標(biāo)x、y和正常高z校正展點(diǎn)到研究區(qū)原有地形圖上，并按100米×100米的格網(wǎng)對(duì)該疊加圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)比分析各新格網(wǎng)點(diǎn)采前和采后高程值，根據(jù)公式

δh＝h0-h校正(10)，

即可計(jì)算得出研究區(qū)開采前與開采后地表沉陷量值δh，最后繪制相應(yīng)的下沉等值線圖；公式(10)中，δh為開采前與開采后地表沉陷量值，單位為米；h0為開采前原地形圖上的高程值，單位為米；h校正為經(jīng)gps高程擬合校正后的各平面點(diǎn)p”1、p”2、p”3、...、p”n的高程值，單位為米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明所述方法計(jì)算采煤沉陷量具有方法步驟簡(jiǎn)單、投入成本低、監(jiān)測(cè)周期短、監(jiān)測(cè)精度高(采煤沉陷量計(jì)算精度可達(dá)厘米級(jí)別)、監(jiān)測(cè)范圍大(可一次性實(shí)現(xiàn)大面積采煤沉陷區(qū)的監(jiān)測(cè))、安全性高、實(shí)用效果好等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)采煤引起的地表沉陷量進(jìn)行有效計(jì)算，在測(cè)量業(yè)、采礦業(yè)、地質(zhì)業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。該基于無人機(jī)遙感的采煤地表沉陷量監(jiān)測(cè)計(jì)算的方法不僅降低了人力、物力和財(cái)力經(jīng)濟(jì)資源、縮短了監(jiān)測(cè)周期、提高了工作效率，而且能與社會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步很好地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤地面塌陷區(qū)域遙感影像的快速獲取，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，迅速而準(zhǔn)確地完成采煤地面沉陷監(jiān)測(cè)的任務(wù)，為更大范圍采煤地面沉陷的監(jiān)測(cè)提供便利。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法的流程框圖。

圖2為本發(fā)明對(duì)地面控制測(cè)量點(diǎn)布設(shè)的示意圖。

圖3為采用本發(fā)明所述方法對(duì)沉陷量計(jì)算的示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示的一種基于無人機(jī)遙感的采煤地表沉陷量監(jiān)測(cè)計(jì)算的方法，以寧東煤炭基地某礦805綜采工作面應(yīng)用為例，利用小型無人機(jī)對(duì)采煤沉陷區(qū)的地表沉陷量進(jìn)行計(jì)算，過程如下所述。

步驟一、無人機(jī)航線設(shè)計(jì)：根據(jù)研究區(qū)地形地貌、范圍、位置和地面分辨率規(guī)劃無人機(jī)飛行航線。

本發(fā)明實(shí)施例采用md4-1000四旋翼航拍專用小型無人機(jī)，傳感器采用日本索尼公司生產(chǎn)的sonya7r相機(jī)，該小型無人機(jī)飛行航線涉及主要包括航高、重疊率和航向設(shè)計(jì)，具體如下：

步驟101、航高確定：按采煤地表塌陷裂縫寬度確定地面分辨率gsd的大小，由于地表裂縫寬度多數(shù)在2厘米以上，故以地面分辨率gsd為2厘米確定航高，sonya7r相機(jī)固有參數(shù)鏡頭焦距f為35.0毫米，像元尺寸a為4.88微米。根據(jù)公式

計(jì)算得到一定地面分辨率對(duì)應(yīng)下的飛行高度h約為143米。公式(1)中，gsd為地面分辨率，單位為米；f為相機(jī)鏡頭焦距，單位為毫米；a為相機(jī)像元尺寸，單位為微米。

步驟102、重疊率確定：由于該礦805工作面所在地為平原微丘地形地貌，故無人機(jī)航向和旁向重疊率分別為60％和40％。

步驟103、航向確定：由于該礦805工作為矩形，故無人機(jī)的主航線沿該工作面走向布置。

步驟二、無人機(jī)航拍：操控?zé)o人機(jī)按設(shè)定航線飛行，并采集遙感圖像。

將設(shè)計(jì)的航線導(dǎo)入md4-1000小型無人機(jī)，在陽光明媚且有微風(fēng)的中午時(shí)分操控?zé)o人機(jī)按設(shè)定的航線飛行，并間隔航拍采集該工作面地表遙感影像。每一架次航拍完成后導(dǎo)出采集到的遙感圖像和坐標(biāo)pos數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重疊度和影像質(zhì)量的檢查。

步驟三、遙感圖像處理：采用專業(yè)遙感圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云生成處理，并導(dǎo)出研究區(qū)地表三維坐標(biāo)。

將無人機(jī)航拍得到的所有遙感影像和坐標(biāo)pos數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)遙感圖像處理軟件pix4dmapper2.1，先后完成圖像拼接、點(diǎn)云加密、dom和dsm生成,并按1000cm的格網(wǎng)密度大小導(dǎo)出該工作面內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n的平面坐標(biāo)x、y和大地高z大(表1)。

表1無人機(jī)航測(cè)高程值

步驟四、地面控制測(cè)量：根據(jù)研究區(qū)范圍和地理特征布設(shè)若干數(shù)量控制點(diǎn)，并對(duì)這些點(diǎn)逐一進(jìn)行測(cè)量。

步驟401、控制測(cè)量點(diǎn)數(shù)確定和布設(shè)：將無人機(jī)航測(cè)得到的各點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n展布在該采煤工作面圖上，由于該采煤工作面為矩形且面積較小，地形地貌簡(jiǎn)單，故選擇5個(gè)地面測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、p4和p5(表2)，地面控制測(cè)量的點(diǎn)分布在工作面的四個(gè)角落和中心位置(如圖2所示)。

表2地面控制測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)

步驟402、控制點(diǎn)測(cè)量：分別對(duì)地面測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、p4和p5進(jìn)行放樣，并按高程四等水準(zhǔn)測(cè)量的高精度控制測(cè)量要求對(duì)這些地面測(cè)量點(diǎn)一一施測(cè)，得到各控制測(cè)量點(diǎn)p1、p2、p3、p4和p5的正常高z正(表3)。

表3地面控制測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)

步驟五、gps高程擬合校正：根據(jù)地面控制測(cè)量結(jié)果，采用平面4參數(shù)擬合校正模型對(duì)無人機(jī)航測(cè)得到的三維坐標(biāo)進(jìn)行校正。

根據(jù)控制測(cè)量結(jié)果，采用平面4參數(shù)擬合模型對(duì)大地高進(jìn)行轉(zhuǎn)換，過程如下.

步驟501、4參數(shù)計(jì)算：根據(jù)公式

h正＝h大-ζi(i＝1,2,3,4,5)(2)

可計(jì)算出各公共點(diǎn)p1、p2、p3、p4和p5對(duì)應(yīng)的高程異常值ζi(表4)，公式(2)中，h正為正常高值，h大為大地高值，單位均為米；ζi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、p4和p5對(duì)應(yīng)的高程異常值。

表4公共點(diǎn)高程異常值

并根據(jù)公式

ζi＝a0+a1xi+a2yi+a3xiyi(i＝1,2,3,4,5)(3)，

可計(jì)算得到a0、a1、a2和a3這4個(gè)參數(shù)的值，公式(3)中，a0、a1、a2和a3為未知參數(shù)，ζi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、...、pm高程異常值，單位為米，xi和yi為各公共點(diǎn)p1、p2、p3、...、pm對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)，單位為米。由于公共點(diǎn)的數(shù)目大于4個(gè)，則可列出相應(yīng)的誤差方程

vi＝a0+a1xi+a2yi+a3xiyi-ζi(i＝1,2,3,4,5)(4)，

公式(4)中，vi為誤差值。寫成矩陣形式為

v＝xa-ζ(5)，

公式(5)中，根據(jù)最小二乘法原理可求得

擬合參數(shù)值見表5。

表5gps高程平面擬合參數(shù)計(jì)算表

步驟502、精度評(píng)定：gps高程擬合校正包括內(nèi)符合精度和外符合精度，具體過程如下：

步驟5021、內(nèi)符合精度確定：根據(jù)公式

vi＝hi-hi'(i＝1,2,3,4,5)(7)

計(jì)算得到擬合模型的殘差vi(表6)，公式(7)中，vi為擬合殘差，單位為米；hi為n個(gè)參與擬合計(jì)算已知點(diǎn)的實(shí)際值，單位為米；hi'為n個(gè)參與擬合計(jì)算已知點(diǎn)的擬合值，單位為米。并根據(jù)公式

計(jì)算擬合模型的內(nèi)符合精度m內(nèi)為0.2575米，公式(8)中，m內(nèi)為內(nèi)符合精度，單位為米；vi為擬合殘差，單位為米；n'為參與擬合計(jì)算的已知點(diǎn)數(shù)量。

表6gps高程擬合模型的殘差表

步驟5022、外符合精度確定：本實(shí)例暫無外符合精度計(jì)算。

步驟503、高程校正：將公式(6)得到的各參數(shù)a0、a1、a2和a3的值代入公式(3)可求得到所有網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n的高程異常ζi(i＝1,2,3,…,n)，將ζi代入公式(2)即可得到所有網(wǎng)格點(diǎn)p’1、p’2、p’3、...、p’n的正常高h(yuǎn)校正(表7)。

表7無人機(jī)航測(cè)校正高程值

步驟六、沉陷量計(jì)算：利用校正后得到的地表高程值與開采前地形圖高程值進(jìn)行比較，計(jì)算開采后地表沉陷量。

將gps高程擬合校正后得到的各平面點(diǎn)p”1、p”2、p”3、...、p”n的坐標(biāo)x、y和正常高z校正展點(diǎn)到該礦805工作面原有地形圖上，并按100米×100米的格網(wǎng)對(duì)該疊加圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)比分析各新網(wǎng)格點(diǎn)采前和采后高程值，根據(jù)公式

δh＝h0-h校正(10)

即可計(jì)算得出該工作面開采前與開采后地表沉陷量值δh(表8)，最后繪制相應(yīng)的研究區(qū)下沉等值線圖(如圖3所示)。公式(10)中，δh為開采前與開采后地表沉陷量值，單位為米；h0為開采前原地形圖上的高程值，單位為米；h校正為經(jīng)gps高程擬合校正后的各平面點(diǎn)p”1、p”2、p”3、...、p”n的高程值，單位為米。

表8采煤地表沉陷量值

該礦805綜采工作面地面塌陷沉盆的范圍大于工作面，最大下沉值出現(xiàn)在工作面中心部位，重疊開采加劇了地面塌陷對(duì)地表的破壞。利用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的下沉值和下沉系數(shù)等地表移動(dòng)參數(shù)與用概率積分法公式預(yù)計(jì)的基本一致，說明利用無人機(jī)遙感技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于采煤地表塌陷沉降量的監(jiān)測(cè)。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施案例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)以上實(shí)施案例所作的任何簡(jiǎn)單性質(zhì)的修改、變更以及等效措施變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。