本發(fā)明屬于巖土工程地表塌坑沉陷監(jiān)測(cè)，更具體地，涉及一種無人機(jī)攝影的構(gòu)造應(yīng)力型金屬礦塌陷區(qū)沉降計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、礦產(chǎn)資源大多賦存于深部地下，深部巖體地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是金屬礦，一般是巖漿入侵交代變質(zhì)成礦，多賦存于構(gòu)造活動(dòng)發(fā)育的山區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地下采礦的影響非常顯著。當(dāng)?shù)V體被采出后，采空區(qū)圍巖的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，會(huì)使深部圍巖移動(dòng)變形。同時(shí)深部巖體的破壞會(huì)逐漸傳遞至地表，造成地表塌陷，形成塌陷坑，也會(huì)造成建(構(gòu))筑物變形損壞等，而且在構(gòu)造應(yīng)力的影響下，地表塌陷的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非構(gòu)造應(yīng)力型礦山。這些破壞嚴(yán)重影響了礦山的生產(chǎn)和人民群眾的人身安全，制約著礦山的可持續(xù)發(fā)展。因此了解地表塌陷區(qū)的沉降規(guī)律，對(duì)地下采礦的安全生產(chǎn)指導(dǎo)和地表塌坑的治理具有重要意義。

2、然而，傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方法是采用水準(zhǔn)儀或gps，這兩種方法都需要在地表設(shè)置觀測(cè)站，以獲取數(shù)據(jù)。但是塌陷區(qū)變形較大，陡坎、地表裂縫分布較廣，且地表穩(wěn)定性極差，測(cè)量人員無法進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

3、近年來，三維激光掃描和無人機(jī)攝影技術(shù)大量應(yīng)用到了礦山地表監(jiān)測(cè)中。三維激光掃描所采用的工作原理是脈沖激光測(cè)距的方法，采用無接觸式高速激光測(cè)量，以點(diǎn)云形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。該類儀器可以有效地對(duì)采礦塌陷區(qū)地表進(jìn)行大范圍的掃描變形監(jiān)測(cè)。無人機(jī)攝影主要組成包括手持式平臺(tái)、電池組、高清數(shù)碼相機(jī)、無人機(jī)等部分組成，是一種簡(jiǎn)便的航空攝影手段，可以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域、難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行拍攝。通過大量的影像照片，對(duì)空間進(jìn)行真實(shí)的三維記錄。

4、然而，使用三維激光掃描得到的地形圖需要通過人工在cad軟件中，比對(duì)兩次測(cè)量之間的差值，以此獲得沉降數(shù)值。但是，兩次不同的測(cè)量得到的xy坐標(biāo)不一致，要想計(jì)算沉降差還需選取要計(jì)算的點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，且計(jì)算得到的僅僅是幾個(gè)點(diǎn)，而三維激光掃描得到的大量數(shù)據(jù)被嚴(yán)重浪費(fèi)，故傳統(tǒng)的計(jì)算方法不能準(zhǔn)確的反應(yīng)塌陷區(qū)的沉降規(guī)律，而且效率較低。無人機(jī)攝影拍攝的航拍圖片可以直觀的看到沉降的變化，但無法獲取具體的沉降數(shù)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于三維激光掃描和無人機(jī)攝影的地表塌陷區(qū)沉降計(jì)算方法，利用surfer軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖能力，同時(shí)借助python強(qiáng)大的計(jì)算能力，得到塌陷區(qū)的沉降數(shù)值，進(jìn)而獲得沉降規(guī)律，是計(jì)算地表塌陷區(qū)沉降的切實(shí)可能且快速高效的方法。該方法充分發(fā)揮了三維激光掃描和無人機(jī)攝影技術(shù)進(jìn)行塌坑沉陷監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，解決了塌陷區(qū)沉降計(jì)算較困難的難題。

2、本發(fā)明提供了一種無人機(jī)攝影的構(gòu)造應(yīng)力型金屬礦塌陷區(qū)沉降計(jì)算方法，包括以下步驟：

3、步驟1：通過三維激光掃描儀在不同時(shí)期掃描已知地形圖的塌陷區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到能通過cad查看三維坐標(biāo)的地表地形圖，已知地形圖為含有目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)地形圖，且與地表地形圖采用相同坐標(biāo)系；

4、步驟2：通過無人機(jī)攝影得到塌陷區(qū)航拍圖片，在圖片中人工標(biāo)記塌陷區(qū)的計(jì)算邊界，并選擇目標(biāo)物體；

5、步驟3：使用python識(shí)別航拍圖片中計(jì)算邊界和目標(biāo)物體，導(dǎo)出含計(jì)算邊界和目標(biāo)物體的航拍圖形文件，航拍圖形文件與地表地形圖格式相同，再通過cad縮放命令，使航拍圖形文件的目標(biāo)物體與已知地形圖中的目標(biāo)物體等尺寸，先將已知地形圖中的目標(biāo)物體通過cad基點(diǎn)復(fù)制命令導(dǎo)入到不同時(shí)期的地表地形圖中，再以目標(biāo)物體角點(diǎn)為插入點(diǎn)，將航拍圖形文件導(dǎo)入到不同時(shí)期的地表地形圖中，使兩個(gè)文件的目標(biāo)物體邊緣重合；

6、步驟4：確定航拍圖形文件的計(jì)算邊界在不同時(shí)期的地表地形圖中的計(jì)算邊界坐標(biāo)，將不同時(shí)期的地表地形圖中計(jì)算邊界坐標(biāo)范圍內(nèi)的xyz坐標(biāo)導(dǎo)出，利用surfer軟件依據(jù)導(dǎo)出的xyz坐標(biāo)分別繪制不同時(shí)期的沉降云圖；

7、步驟5：依據(jù)不同時(shí)期的沉降云圖做差得到三維沉降云圖和塌陷區(qū)沉降等值線。

8、進(jìn)一步的，所述步驟1包括：

9、步驟11采用三維激光掃描儀在不同時(shí)期對(duì)已知地形圖的塌陷區(qū)進(jìn)行掃描，采用gps對(duì)掃描的前視點(diǎn)和后視點(diǎn)進(jìn)行定位，通過maptekⅰ-site?studio?4.0軟件對(duì)獲取的塌陷區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、濾波、去噪處理，得到整個(gè)采礦塌陷區(qū)的地面掃描地形，輸出dxf格式的地表掃描地形圖；

10、步驟12、將步驟11得到的dxf文件導(dǎo)入dxf2xyz軟件處理包，得到xyz格式的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)，然后由記事本打開xyz格式文件，另存為csv格式文件；

11、進(jìn)一步的，所述步驟2中，無人機(jī)攝影時(shí)，鏡頭與地面垂直，并根據(jù)內(nèi)置指南針調(diào)整方向進(jìn)行攝影，使拍攝出的平面圖像的上下左右分別對(duì)應(yīng)北南西東；所述計(jì)算邊界是由互相垂直的線段繪制成的閉合區(qū)域；

12、進(jìn)一步的，所述步驟3中python識(shí)別航拍圖片中計(jì)算邊界和目標(biāo)物體包括：

13、在python中調(diào)用第三方庫cv2程序集將jpg格式圖片轉(zhuǎn)換成dxf格式文件，轉(zhuǎn)換時(shí)用jpg圖片的圖片高度減去jpg圖片左上角對(duì)應(yīng)點(diǎn)的y坐標(biāo)值，使dxf文件得到的點(diǎn)與jpg圖片中點(diǎn)的位置一致；

14、調(diào)用ezdxf程序集，刪除dxf格式文件中多余的線，只留邊界線和目標(biāo)物體線。

15、進(jìn)一步的，所述步驟5包括：使用pandas.read_csv()命令讀取surfer軟件繪制的不同時(shí)期的沉降云圖，使用numpy.array()命令將不同時(shí)期的沉降云圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)組，使用切片提取x軸數(shù)據(jù)，y軸數(shù)據(jù)和z軸數(shù)據(jù)，使用for循環(huán)進(jìn)行沉降計(jì)算，具體為：dz=z1[i]-?z[i]，z1[i]為近期測(cè)得的沉降云圖，z[i]為遠(yuǎn)期測(cè)得的沉降云圖，i為循環(huán)次數(shù)，循環(huán)的次數(shù)取決于單列的長(zhǎng)度，單列長(zhǎng)度指數(shù)組中的數(shù)據(jù)數(shù)量，由len()命令計(jì)算得到；對(duì)得到的dz進(jìn)行篩選，當(dāng)dz≤0時(shí)，使用pandas.dataframe()命令將近期測(cè)得的沉降云圖的xy坐標(biāo)以及dz數(shù)據(jù)存入一個(gè)列表中；使用c.to_csv()（c=?pandas.dataframe()），將數(shù)據(jù)存為csv格式的文件；再將文件導(dǎo)入surfer，得到塌陷區(qū)沉降云圖和沉降等值線圖。

16、本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：充分發(fā)揮了三維激光掃描和無人機(jī)攝影技術(shù)進(jìn)行塌坑沉陷監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，解決了塌陷區(qū)沉降計(jì)算較困難的難題，已經(jīng)成功應(yīng)用于湖北省某金屬礦山，對(duì)國(guó)內(nèi)金屬礦山地下采礦的安全生產(chǎn)指導(dǎo)和地表塌坑的治理具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種無人機(jī)攝影的構(gòu)造應(yīng)力型金屬礦塌陷區(qū)沉降計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中，無人機(jī)攝影時(shí)，鏡頭與地面垂直，并根據(jù)內(nèi)置指南針調(diào)整方向進(jìn)行攝影，使拍攝出的平面圖像的上下左右分別對(duì)應(yīng)北南西東；所述計(jì)算邊界是由互相垂直的線段繪制成的閉合區(qū)域。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中python識(shí)別航拍圖片中計(jì)算邊界和目標(biāo)物體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種無人機(jī)攝影的構(gòu)造應(yīng)力型金屬礦塌陷區(qū)沉降計(jì)算方法，該方法包括以下步驟：首先通過三維激光掃描塌陷區(qū)，進(jìn)行后處理得到地形圖，通過無人機(jī)攝影得到塌陷區(qū)航拍圖片，對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行人工標(biāo)注；然后使用python識(shí)別圖片邊界和主要目標(biāo)標(biāo)注物，導(dǎo)出含計(jì)算邊界和目標(biāo)物體的圖形，再通過CAD縮放命令，使無人機(jī)得到的邊界圖與三維激光得到的地形圖合并；使用DXF2XYZ軟件處理包將三維激光地形圖XYZ坐標(biāo)導(dǎo)出，利用Surfer軟件對(duì)三維激光得到的地形圖坐標(biāo)進(jìn)行插值處理，這里需要使用無人機(jī)攝影確定的塌陷計(jì)算邊界作為XY坐標(biāo)的最大值和最小值；最后使用python計(jì)算沉降值，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer軟件，即可得到塌陷區(qū)沉降等值線和三維沉降云圖。

技術(shù)研發(fā)人員：王田龍,夏開宗,鄔忠虎,文志杰,左宇軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：貴州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19