CN102937397B - 一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，包括如下步骤：①布设量测控制点；②拍摄爆破区域的像片；③对像片进行编辑，生成台阶面DEM模型；④爆破设计；⑤爆破安全校核；⑥爆破施工；⑦爆堆近景摄影；⑧爆堆形态和块度分析；⑨定量评价爆破效果，优化爆破参数；⑩进行下一轮爆破设计与施工。优点是：近景摄影技术通过非接触式获取空间信息，极大的降低了外业的劳动量和危险性，变大量繁琐的野外施工测量为高效简单的室内图像处理，降低了工程成本，提高了设计和施工效率。本发明基于DEM模型的这种三维块度统计方法比现有的基于单图像处理的二维块体统计更加精确。

Description

一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，适用于采矿、水利水电、交通等岩土工程领域的台阶爆破工程施工。
背景技术
在露天开挖工程中，台阶爆破作为最常用的开挖手段，在我国矿山、公路、铁路、水电等工程中，得到了广泛的应用。据不完全统计，每年我国工业炸药年产量达300万吨，其中一半消耗在露天采矿和各种基建的岩石台阶爆破工程中，台阶爆破的技术进步对采矿和基建开挖等工程具有举足轻重的意义。
在获取初始爆区资料方面，传统的手段是进行实地勘察、人工测量、手工输入，这在工程应用中周期较长，误差较大，精度不高，存在诸多缺点，不足以满足快速施工的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用近景摄影技术、非接触式获取空间信息、大幅降低劳动量和危险性的基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法。
数字高程模型(Digital Elevation Model),以下简称DEM模型。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支。
本发明一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，包括如下步骤：
① 在准备实施爆破的区域上布置3个以上控制点；
② 从不同的角度以定焦距拍摄待开挖面的像片对；
③ 使用数字量测软件导入控制点，对像片对进行相对定向、绝对定向、生成核线、图像匹配和匹配结果编辑，生成待开挖台阶面及其邻近区域的DEM模型；
④ 在DEM模型上划分爆破区域，识别开挖临空面、永久开挖面和临时开挖面，根据规范和常规手段得到的包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数，完成包括炮孔的自动布置、装药结构设计、起爆网络设计的台阶爆破初始设计，将设计结果反映到DEM模型中，得到钻爆设计的三维视图、剖面图和平面图；从各个方向搜索炮孔到台阶面的最短距离，快速准确地确定炮孔的实际抵抗线大小Wi；
⑤ 根据爆破飞石的安全距离校核公式Rf=20KfR2/Wi，进行爆破安全校核，公式中Kf为安全系数，通常取1.0～1.5；R为爆破漏斗半径；Wi为最大药包的最小抵抗线大小；若校核不满足要求，则返回步骤④，调整包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数以改变前排炮孔抵抗线Wi的大小；若校核满足要求，则进入步骤⑥；
⑥ 根据经安全校核后的爆破参数和前排炮孔抵抗线Wi进行实际施工，实施爆破；
⑦ 从不同的角度全方位拍摄爆堆的像片对，利用数字量测软件生成单模DEM，根据相邻分区DEM模型重合部分上的公共点按照相似变换法进行模型连接，形成完整的爆堆DEM模型，得到包括底部截面长度L1和宽度L2、最大高度H、最远抛掷距离S的爆堆三维形态的几何参数；
⑧ 采用体积作为块度的特征物理量，对整体DEM模型上爆破块体的体积进行搜索统计，得到爆堆的块度分布；
⑨ 根据步骤⑦得到的爆堆三维形态的几何参数分析其有效抛掷率和拉斗铲效率，根据步骤⑧得到的块度分布分析其是否满足施工骨料的级配要求，从而定量评价爆破效果，并在此基础上优化装药结构和包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数，作为下一爆破循环的设计参数；
⑩ 进行下一轮爆破设计与施工。
所述步骤②中，相邻两拍摄点之间的摄影基线与待开挖台阶面平行。
所述步骤③中，当相机的视场有限时，采用分区拍摄，后将各组生成的DEM单模拼接成整体DEM模型。
本发明基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法的优点是：
1.近景摄影技术通过非接触式获取空间信息，极大的降低了外业的劳动量和危险性，变大量繁琐的野外施工测量为高效简单的室内图像处理，降低了工程成本，提高了设计和施工效率。将近景摄影测量技术应用到台阶爆破设计中，实现台阶爆破的动态设计，可以实现可观的经济效益和社会效益。
2.本发明提出的动态爆破设计可以降低台阶爆破的成本。全面而准确的保存施工工程的各种信息，能够实时更新爆区资料，不仅可快速评价施工质量，而且可以为工程后期的改进或者变化提供数据支撑。
3.采用数字近景摄影测量技术对爆后爆堆形态和爆破块度进行快速测定及分析，极大地减小了人工统计块度的劳动量。并且，传统的图像处理技术以面积或周长等二维特征量来表征爆堆形态和块度，这种方法并不能真实的反映块体的三维特征，而本发明基于DEM模型的这种三维块度统计方法比现有的基于单图像处理的二维块体统计更加精确。
附图说明
图1为本发明基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法的流程图。
图2为本发明的控制点及相机位置平面布置图。
图3为本发明的台阶面参数示意图。
图4a、b为本发明一实施例的实景拍摄像片对。
图5为本发明一实施例生成的数字地面高程模型DEM。
其中，1-爆破开挖区域；2-控制点；3-开挖边界线；4-相机；5-摄影基线；6-摄影基线到台阶底面的距离；7-摄影投影光线；8-上顶面；9-炮孔；10-台阶面；11-实际抵抗线；12-地面。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-5所示，一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，包括如下步骤：
① 在准备实施爆破的区域上布置3个以上控制点；实际操作中往往布设4个以上的控制点以减小DEM模型的误差，控制点越多，越均匀，图像匹配越容易，生成的DEM的误差也就越小；
② 从不同的角度以定焦距拍摄待开挖面的像片对；近景摄影测量所使用的相机可以是量测相机也可以是非量测相机（相机需要进行畸变校正）；在拍摄的过程中必须保证相机焦距不变，相邻两次拍摄点的连线（摄影基线）最好与待开挖台阶面接近平行，相邻两拍摄点的距离不宜太远，以保证左右像片有较大的重合度；
③ 使用数字量测软件导入控制点，对像片对进行相对定向、绝对定向、生成核线、图像匹配和匹配结果编辑，生成待开挖台阶面及其邻近区域的DEM模型；
④ 利用计算机在DEM模型上划分爆破区域，识别开挖临空面、永久开挖面和临时开挖面，根据规范和工程经验得到的炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b等爆破参数，完成炮孔的自动布置、装药结构设计、起爆网络设计等台阶爆破初始设计，将设计结果反映到DEM模型中，得到钻爆设计的三维视图、剖面图和平面图；从各个方向搜索到台阶面的最短距离，快速准确地确定炮孔的实际抵抗线大小Wi，Wi即炮孔装药段的中心线到台阶面（临空面）的最小距离；
⑤ 根据爆破飞石的安全距离校核公式Rf=20KfR2/Wi，进行爆破安全校核；若校核不满足要求，则返回步骤④，调整炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b等爆破参数以改变前排炮孔抵抗线Wi的大小，从而控制爆破飞石距离Rf；若校核满足要求，则进入步骤⑥；
⑥ 根据经安全校核后的爆破参数和前排炮孔抵抗线Wi进行实际施工，实施爆破；
⑦ 爆破后爆堆形态和爆破块度的信息收集和反馈：从不用的角度拍摄爆堆的像片对，利用数字量测软件生成单模DEM，根据相邻分区DEM模型重合部分上的公共点按照相似变换法进行模型连接，形成完整的爆堆DEM模型，得到爆堆三维形态的主要几何参数：底部截面长度L1和宽度L2、最大高度H、最远抛掷距离S等；
⑧ 采用体积作为块度的特征物理量，利用计算机对整体DEM模型上爆破块体的体积进行搜索统计，得到爆堆的块度分布；
⑨ 根据对爆破后的爆堆形态的主要几何参数和爆破块度分布的分析，快速地定量评价爆破效果，并在此基础上优化装药结构和炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b等爆破参数，作为下一爆破循环的设计参数；
爆堆形态是衡量露天煤矿高台阶抛掷爆破效果的重要指标，直接影响到有效抛掷率和拉斗铲效率；评价爆堆形态的主要几何参数：底部截面长度L1和宽度L2、最大高度H、最远抛掷距离S；有效抛掷率计算公式η=πL1L2/KHA，式中K为岩体松散系数，是与爆破块度分布相关的系数；H为倒堆台阶高度；A为开挖台阶面宽度；
评价爆破块度的指标是块度分布也称块度分布规律，即块石的级配；其优劣主要取决于块石的用途，例如采矿要避免过多的大块率；作为堆石坝的石料这要求级配均匀；作为路面混凝土骨料则要求级配均匀且块度要小；
他们的效果的好坏的评价与石料（或矿）的用途和拉斗铲、运输工具来综合评价，而不能单单依据其外观来判断；
⑩ 进行下一轮爆破设计与施工。
所述步骤③中，当相机的视场有限时，采用分区拍摄，后将各组生成的DEM单模拼接成整体DEM模型。
步骤③和步骤⑦中所述数字量测软件，为适普公司的Virtuo-Zo、 Lensphoto软件或其他现有数字量测软件。

Claims (3)

1.一种基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，其特征在于包括如下步骤：
① 在准备实施爆破的区域上布置3个以上控制点；
② 从不同的角度以定焦距拍摄待开挖面的像片对；
③ 使用数字量测软件导入控制点，对像片对进行相对定向、绝对定向、生成核线、图像匹配和匹配结果编辑，生成待开挖台阶面及其邻近区域的DEM模型；
④ 在DEM模型上划分爆破区域，识别开挖临空面、永久开挖面和临时开挖面，根据规范和常规手段得到的包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数，完成包括炮孔的自动布置、装药结构设计、起爆网络设计的台阶爆破初始设计，将设计结果反映到DEM模型中，得到钻爆设计的三维视图、剖面图和平面图；从各个方向搜索炮孔到台阶面的最短距离，快速准确地确定炮孔的实际抵抗线大小Wi；
⑤ 根据爆破飞石的安全距离校核公式Rf=20KfR2/Wi，进行爆破安全校核；若校核不满足要求，则返回步骤④，调整包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数以改变前排炮孔抵抗线Wi的大小；若校核满足要求，则进入步骤⑥；
⑥ 根据经安全校核后的爆破参数和前排炮孔抵抗线Wi进行实际施工，实施爆破；
⑦ 从不同的角度全方位拍摄爆堆的像片对，利用数字量测软件生成单模DEM，根据相邻分区DEM模型重合部分上的公共点按照相似变换法进行模型连接，形成完整的爆堆DEM模型，得到包括底部截面长度L1和宽度L2、最大高度H、最远抛掷距离S的爆堆三维形态的几何参数；
⑧ 采用体积作为块度的特征物理量，对整体DEM模型上爆破块体的体积进行搜索统计，得到爆堆的块度分布；
⑨ 根据步骤⑦得到的爆堆三维形态的几何参数分析其有效抛掷率和拉斗铲效率，根据步骤⑧得到的块度分布分析其是否满足施工骨料的级配要求，从而定量评价爆破效果，并在此基础上优化装药结构和包括炮孔倾角β、超钻深度ΔL、排距a、孔距b的爆破参数，作为下一爆破循环的设计参数；
⑩ 进行下一轮爆破设计与施工。
2.如权利要求1所述的基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，其特征在于：所述步骤②中，相邻两拍摄点之间的摄影基线与待开挖台阶面平行。
3.如权利要求1所述的基于近景摄影测量技术的台阶爆破动态设计方法，其特征在于：所述步骤③中，当相机的视场有限时，采用分区拍摄，后将各组生成的DEM单模拼接成整体DEM模型。
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