CN110455367B - 联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法，本发明通过高密度电阻率法测定项目区内(含堆弃体)的视电阻率，结合前期对项目区内堆弃体情况以及边缘土质情况进行查勘，对高密度电阻率法结果进行解释，进而可以准确分析出堆弃体下垫面高程信息，通过无人机航拍及控制点位布设可准确获取堆弃体表面高程，然后利用GIS计算堆弃体上下高程差即可计算出堆弃体量，本发明可以避免因为堆弃体堆弃时限较长无法区分下垫面的难题，也解决了通过卫星遥感影像及单独使用无人机航拍无法精确计算堆弃体量的问题。

Description

联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法

技术领域

本发明涉及工程堆弃体量测量技术领域，具体是一种联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法。

背景技术

随着经济迅猛发展，各类生产建设项目以矿产、水电站、核电站、房地产、市政基础设施等点型项目，以及公路、铁路、管线等线性项目为代表，在工程建设过程中造成大量的挖填活动，严重扰动地表，产生了大量的弃土弃渣堆弃体。由于堆弃体堆积坡度陡，当未采取相关防护措施时在暴雨条件下容易产生严重的滑坡、崩塌、泥石流、高含沙水流等灾害。尤其是堆积在城区周边或者农田上方的，容易对生命财产造成威胁。通过高新技术准确计算出堆弃体量，对于判定堆弃体稳定性及制定相应的水土保持措施防治水土流失及生态修复提供基础，同时也能为水行政主管部门管理决策(处罚)等提供技术支撑。

根据水土保持相关法律的规定，生产建设活动中排弃的砂、石、土、矸石、尾矿、废渣等应当综合利用，不能综合利用，确需废弃的，应当堆放在水土保持方案确定的专门存放地，并采取措施保证不产生新的危害。但在工程实际中，由于水土保持方案大部分是根据工程可行性研究报告基础来编写，深度仅达到可研阶段，在后期的初步设计及施工阶段，往往由于实际情况无法将废弃的弃土弃渣堆放在批复方案的弃渣场，尤其是线型工程，施工中弃渣堆弃杂乱无章，无法进行有效管理。且在弃渣之前，未对原始下垫面进行地质勘测，而弃渣在经过多年堆积自然沉降后，其下表面可能与原始下垫面融合而无法区分，导致了弃渣体量测量存在较大问题。

现阶段，测定工程堆弃体量的方法主要有：1)建设单位或施工单位提供数据；2)水土保持监测单位提供监测数据；3)通过卫星遥感影像图提取；4)无人机低空航拍技术。前二者由于是过程数据，工程工期往往较长，且单次土石方量累计后得出的总量与实际弃渣体方量往往由于密度、含水量、自然沉降等原因造成较大差异，无法准确获取弃渣体量。早期通过卫星遥感获取影像图，由于卫星影像固定时空分辨率、周期长、且受天气影响较大、成本高等，导致通过卫星遥感影像获取堆弃体量在实际应用中无法大范围推广普及。无人机技术及遥感技术在水利行业领域的应用愈加成熟，目前，无人机在水土保持领域的应用主要集中在水土保持监测评估、监督管理、灾害应急监测、方案编制和规划设计等方面。通过无人机野外航拍获取影像数据，利用PhotoScan、Pix4D等软件进行三维建模获取DEM及DOM数据成果，利用GIS软件对DEM及DOM进行量测分析，可以获取堆弃体渣量。由于弃渣场下垫面类型多种多样，通常难以确定弃渣场压盖原始地形，无法准确获取堆弃量总方量。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：高密度电阻率法是一种阵列式的勘探方法，是电剖面和电探测的有机组合，因其具有的观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、分辨率高、生产效率高等特点，被广泛应用于工程勘察、水文勘测等工程领域。高密度电阻率法工作方式是在目标探测区域进行剖面数据采集，再对测量数据进行二维反演得到最终结果，同时可以利用二维数据进行插值求解三维地质体。由于堆弃体是直接堆弃在原始地面上，二者地质组成存在明显区别，两者视电阻率可将其在高密度电阻率法应用中区分开来，将高密度电阻率法用于探测堆弃体堆积体积目前尚未有相关研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无人机无法获取堆弃体原始下垫面，导致无法准确计算堆弃体量的问题，而提出的一种联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法，采用无人机测定堆弃体表面高程，高密度电阻率法测定堆弃体底面高程，将表面及底面高程数据导入ArcGis中，通过3D Analyst工具即可精确计算堆弃体体积，能够很好解决以上问题。

一种联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法，通过利用电法仪器探测项目区地下视电阻率，测定堆弃体底面高程，通过无人机航拍及控制点位布设获取堆弃体表面高程，利用GIS计算堆弃体上下表面高程差即可计算出堆弃体量。

所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤一、项目区环境数据采集：对项目区土石分布情况进行初步分析，对工程堆弃体与原始地表分界处地质情况进行采样，重点对堆弃体表面的土样以及堆弃体与原始地貌交接处的土样、岩石进行采集得到采集样本，确定采集样本的视电阻率；

步骤二、高密电法数据采集：利用高密度电阻率法率定地下视电阻率：先以固定间距x沿测线布置若干根电极，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a＝nx(n＝1,2,3，…)，对每一个取定的活动电极间距a，将两两相距为a的四根电极经电极转换开关连接到仪器上，通过电极转换开关换接电极，一次完成各种装置形式的电阻率测量；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止；

对应点的视电阻率ρ_s：

其中K为电极装置系数；AM、BN、AN、BM为两点间直线距离值；I为电缆里面测试用的电流；ΔU_MN为电缆里面测试用的电流电位差；

步骤三、高密度电阻率法数据处理与三维数据反演：

(1)删除坏点：在数据采集过程中，删除异常值，取其上下值的均值进行填补；

(2)数据的光滑平均：原始数据采集过程中会受到随机噪声的影响，为了消除随机噪声的干扰，对数据用光滑平均法进行处理；

(3)二维数据的三维转换：结合电极的地形文件，将二维高密度数据按照事先设计好的网度进行合并转换，得到带地形的二维切片数据，x方向是测线的长度，y轴方向是相邻两条测线之间的距离，以第一条测线的起点为x、y轴的起点；

(4)三维数据反演：对步骤(3)得到的的二维切片数据进行插值，利用res3dinv三维高密度反演软件进行反演得到三维地形结果；

(5)三维切片成图：利用SKUA-GOCAD软件将三维地形结果进行x、y两个方向上的切片，调整色标及地质体的三边比例；

步骤四、下垫面高程勾绘，获得堆弃体下表面DEM

结合步骤一中项目区视电阻率的采样结果，以及步骤三的含有地形数据的二维反演结果，对三维地电模型进行解释，在ArcGIS软件中，通过利用获取离散点坐标和高层信息的方法，构造下垫面DEM；

步骤五、无人机数据采集与处理

采用无人机对堆弃体进行全方位航拍，并通过定位仪布设控制点，利用三维模型制作软件对野外航拍无人机影像进行处理，通过几何纠正、图像配准和图像融合，三维模型制作软件自动进行三维重建、点云密集匹配、地形建模，利用定向坐标构建不规则的三角网，对三角网进行格网间距设置，内插高程点，得到数字正射影像DOM及数字地表模型DSM，通过控制点即可得知堆弃体上表面范围内各点的高程数据，即堆弃体表面DEM数据；

步骤六：堆弃体体积的获取

将步骤四获得的堆弃体下垫面DEM及步骤五获得的堆弃体表面DEM数据导入ArcGIS软件中，对两者特征点进行配准，在ArcGIS中勾出实际扰动区域，利用ArcGIS中Spatial Analyst的Cutfill函数进行计算，计算堆弃体方量。

本发明的有益效果：

本发明通过高密度电阻率法测定项目区内(含堆弃体)的视电阻率，结合前期对项目区内堆弃体情况以及边缘土质情况进行查勘，对高密度电阻率法结果进行解释，进而可以准确分析出堆弃体下垫面高程信息，通过无人机航拍及控制点位布设可准确获取堆弃体表面高程，然后利用GIS计算堆弃体上下高程差即可计算出堆弃体量，本发明可以避免因为堆弃体堆弃时限较长无法区分下垫面的难题，也解决了通过卫星遥感影像及单独使用无人机航拍无法精确计算堆弃体量的问题。

附图说明

图1为高密度电阻率法测点分布示意图；

图2为高密度电阻率法测量过程图；

图3为数据处理流程图；

图4为含有地形数据的二维反演结果；

图5为三维地电模型；

图6为堆弃体区域勾画；

图7为堆弃体体积计算；

图8为本发明无人机测量工程堆弃体上表面高程流程示意图；

图9为本发明高密度电阻率法测量工程堆弃体下垫面高程流程示意图；

图10为本发明联合无人机和高密度电阻率法测量工程堆弃体量量测的示意图。

图10中：1—工程堆弃体(A1A2A3A4是堆弃体下垫面、B1B2B3B4是堆弃体表面)，2—高密度电阻率法测线布置，3—高密度电阻率法信号接收器，4—高密度电阻率法测线电极，5—高密度电阻率法测线终端电源，6—无人机照相路径，7—无人机相机，8—无人机，9—无人机电池。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法其中一个实施例包括如下步骤：

步骤一、项目区环境数据采集

如图9所示，对项目区土石分布情况进行初步分析。对工程堆弃体与原始地表分界处地质情况进行采样，重点对堆弃体表面的土样以及堆弃体与原始地貌交接处的土样、岩石进行采集得到采集样本，确定项目区工程堆积体和原始地貌土质组成背景资料(包含土壤组成情况、不同土壤对应不同的电阻率等)，同时确定采集样本的视电阻率，为后期高密度电法解释提供依据。

步骤二、高密电法数据采集

高密度电阻率法需要平行布置多条测线，测线的长度以及电极的密度决定了本项目的探测深度。

利用高密度电阻率法率定地下视电阻率：先以固定间距x沿测线布置若干根电极，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a＝nx(n＝1,2,3，…)，a为每一个取定的活动电极间距(如图1所示)，将两两相距为a的四根电极(A、M、N、B)经电极转换开关连接到仪器上，通过电极转换开关换接电极，一次完成电阻率测量(各记录点均选在电极排列的中点)；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止；

测线是电缆，一条电缆里面多个内芯，每个内芯连接一个电极，测量的时候将电极打入底下，开始测量，比如5米一个电极，是以电缆长度的5米计算的，测量完之后，需要将每个电极的高程信息记录下来，因为测出来的数据默认电缆是水平放置，需要对其进行一个地形的校正。

测量的视电阻率ρ_s：

其中K为电极装置系数(电极的排列形式和电极距一经确定，K值唯一确定)；AM、BN、AN、BM为两点间直线距离值，I为电缆里面测试用的电流；ΔU_MN为MN之间的电位差，如图2所示，

总电极数：N

测量层数：

每层序号：i

每层点数：n_i＝N-3·i

总测点数：

需要并排布设多条测线，同时由于地形非平面，在进行高密度电阻率法测量过程中，需要记录每个测点的坐标以及高层信息用于后期地形校正。

步骤三、高密度电阻率法数据处理与三维数据反演

本发明主要使用res3dinv和SKUA-GOCAD软件对高密度电阻率法数据进行分析处理，得到项目区二维反演结果、三维反演结果以及三维地电模型。图3为数据处理流程图，图4为含有地形数据的二维反演结果，图5为项目区的三维地电模型，步骤三具有过程如下：

(1)删除坏点：在数据采集过程中，不可避免会出现电极接地不良，或者因场地问题引起数据异常，删除异常值，取其上下值的均值进行填补；

(2)数据的光滑平均：原始数据采集过程中会受到随机噪声的影响，为了消除随机噪声的干扰，对数据用光滑平均法进行处理；

(3)二维数据的三维转换：结合电极的地形文件，将二维高密度数据按照事先设计好的网度进行合并转换，得到带地形的二维切片数据，x方向是测线的长度，y轴方向是相邻两条测线之间的距离，以第一条测线的起点为x、y轴的起点；

(4)三维数据反演：对步骤(3)得到的的二维切片数据进行插值，利用res3dinv三维高密度反演软件进行反演得到三维地形结果，具体可采用最小二乘法进行迭代，RMS误差控制在5％以内；

(5)三维切片成图：利用SKUA-GOCAD软件将三维地形结果进行x、y两个方向上的切片，调整色标及地质体的三边比例；通过调整三轴比例，便于观测三维图像中的细小部分，同时对三维图形进行x、y两个方向的切片，对分界面进行界定。

步骤四、下垫面高程勾绘，获得堆弃体下表面DEM

结合步骤一中对项目区土壤背景值的采集资料，以及步骤三的反演图形，分析出堆积体的下垫面。通过图5的三维地电模型可以得到下垫面分界点的坐标值(即下垫面点的横坐标、纵坐标以及高程)，记录将下垫面分界点的坐标值，然后启动ArcCatalog，将离散点坐标信息构建data.mdb数据库，利用ArcMap，通过Add XY Data，将这些离散点展绘到PointEvents图层中，通过3D Analyst中Create TIN From Features将图层Point Events生成为TIN文件，再利用3D Analyst中的Contour即构造出下垫面DEM。

步骤五、无人机数据采集与处理

无人机航拍堆弃体表面，并通过中海达Qmini A5/A7GPS定位仪布设控制点，具体包括：根据堆弃体所在区域的具体实际情况，合理调试无人机并设置飞行参数(像片重叠度应满足航向重叠度一般应为60％～80％，最小不低于53％；旁向重叠度一般为15％～60％，最小不低于8％)，根据地形地貌规划航线及飞行高度。准备就绪后，启动无人机按规划航线进行航拍，获取具有一定重叠度的影像；将影像导入Agisoft Photoscan Professional软件中，通过“对齐照片-建立密集点云-生成网格-生成纹理”等过程，软件自动进行三维重建、点云密集匹配、地形建模等过程，利用定向坐标构建不规则的三角网，对三角网进行格网间距设置，内插高程点，随后即可导出到数字正射影像DOM及数字地表模型DSM，通过控制点位即可确定堆弃体上表面各点位的高程值。无人机航拍流程如图8所示。

步骤六、堆弃体体积的获取

将步骤四获得的堆弃体下表面DEM及步骤五获得的堆弃体上表面DEM输入ArcGIS软件中，对两者特征点进行配准，通过3D Analyst工具(路径：3D Analyst-->SurfaceAnalysis-->Cut/Fill)即可计算出堆弃体的体积。图6为堆弃体区域勾画，图7为利用3DAnalyst进行堆弃体体积测算的效果图。

图10为本发明测量时的工作示意图，其使用到了高密度电阻率法仪器(GD-20)3和无人机8，其中无人机8上安装有无人机相机7、无人机电池9，高密度电阻率法测线2布设在堆弃体表面，终端电源5，测线每隔等距(x)布置一个电极4，在高密度电阻率法仪器3输入电极距离等相关参数。电极4在工作时两两组合构成点位差，测量堆弃体内部对应点位的视电阻率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种联合无人机和高密度电阻率法的工程堆弃体量测量方法，其特征在于：通过利用电法仪器探测项目区地下视电阻率，测定堆弃体底面高程，通过无人机航拍及控制点位布设获取堆弃体表面高程，利用GIS计算堆弃体上下表面高程差即可计算出堆弃体量；

所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤一、项目区环境数据采集：对项目区土石分布情况进行初步分析，对工程堆弃体与原始地表分界处地质情况进行采样，重点对堆弃体表面的土样以及堆弃体与原始地貌交接处的土样、岩石进行采集得到采集样本，确定采集样本的视电阻率；

步骤二、高密电法数据采集：利用高密度电阻率法率定地下视电阻率：先以固定间距x沿测线布置若干根电极，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a＝nx(n＝1,2,3，…)，对每一个取定的活动电极间距a，将两两相距为a的四根电极经电极转换开关连接到仪器上，通过电极转换开关换接电极，一次完成各种装置形式的电阻率测量；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止；

对应点的视电阻率ρ_s：

其中K为电极装置系数；AM、BN、AN、BM为两点间直线距离值；I为电缆里面测试用的电流；ΔU_MN为电缆里面测试用的电流电位差；

步骤三、高密度电阻率法数据处理与三维数据反演：

(1)删除坏点：在数据采集过程中，删除异常值，取其上下值的均值进行填补；

(2)数据的光滑平均：原始数据采集过程中会受到随机噪声的影响，为了消除随机噪声的干扰，对数据用光滑平均法进行处理；

(3)二维数据的三维转换：结合电极的地形文件，将二维高密度数据按照事先设计好的网度进行合并转换，得到带地形的二维切片数据，x方向是测线的长度，y轴方向是相邻两条测线之间的距离，以第一条测线的起点为x、y轴的起点；

(4)三维数据反演：对步骤(3)得到的的二维切片数据进行插值，利用res3dinv三维高密度反演软件进行反演得到三维地形结果；

(5)三维切片成图：利用SKUA-GOCAD软件将三维地形结果进行x、y两个方向上的切片，调整色标及地质体的三边比例；

步骤四、下垫面高程勾绘，获得堆弃体下表面DEM

结合步骤一中项目区视电阻率的采样结果，以及步骤三的含有地形数据的二维反演结果，对三维地电模型进行解释，在ArcGIS软件中，通过利用获取离散点坐标和高层信息的方法，构造下垫面DEM；

步骤五、无人机数据采集与处理

采用无人机对堆弃体进行全方位航拍，并通过定位仪布设控制点，利用三维模型制作软件对野外航拍无人机影像进行处理，通过几何纠正、图像配准和图像融合，三维模型制作软件自动进行三维重建、点云密集匹配、地形建模，利用定向坐标构建不规则的三角网，对三角网进行格网间距设置，内插高程点，得到数字正射影像DOM及数字地表模型DSM，通过控制点即可得知堆弃体上表面范围内各点的高程数据，即堆弃体表面DEM数据；

步骤六、 堆弃体体积的获取

将步骤四获得的堆弃体下垫面DEM及步骤五获得的堆弃体表面DEM数据导入ArcGIS软件中，对两者特征点进行配准，在ArcGIS中勾出实际扰动区域，利用ArcGIS中SpatialAnalyst的Cutfill函数进行计算，计算堆弃体方量。

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