CN112149279A - 一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，涉及矿区地表监测技术领域。该一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，包括如下步骤：步骤一、地表沉降非结构化数据获取；步骤二、地表沉降结构化数据转化；步骤三、不同航测时期的结构化数据处理；步骤四、地表大范围运动趋势判断。本发明步骤简洁合理，结果清晰可靠，结果判断直观，能够对矿区某一周期内地表大范围运动趋势作出判断评估，地表断评估范围大幅增加，人员外业劳动强度大幅降低，为后续矿区待采区域工作面及地表工程的布置提供依据，对矿区地表大范围监测具有重要的理论意义和指导意义。

Description

一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法
技术领域
本发明涉及矿区地表监测技术领域，具体地说是涉及一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法。
背景技术
随着未来我国矿区朝着大型集中化和高效集约化方向发展，矿区范围内多个煤矿的多个工作面同时回采将成为新常态。这种矿区大范围的历史开采活动将造成高位岩层乃至地表的大范围运动。该运动不仅会对地表建筑物、农田、道路等岩土工程造成损坏，同时也会对当前开采的多工作面产生应力扰动，从而增加了大范围在采工作面的煤岩动力灾害诱发的可能。因此，对高位覆岩大范围运动行为的感知对地表岩土工程和井下煤矿工程的布置规划具有重要意义。
高位覆岩运动行为感知的最常用且最便捷的手段为地表沉降监测，通常使用地表传统测站或低空无人机拍摄系统展开人工定期观测。由长期的地表监测实践可知，传统测站有以下不足：①需人工布设监测点位，观测周期内(通常为2-4年)点位难以保护；②大范围测量所需测点较多，外业劳动强度巨大；③测点无法覆盖大范围任意区域导致监测结果不理想。无人机航测技术不仅克服了上述缺点，同时观测花销持续降低，正逐渐成为地表观测的主要手段。但是，目前有关煤矿地表无人机航测的研究，多集中在矿区地表地形、塌陷和沉陷参数的获取方面，还没有确定矿区地表大范围运动行为的直接有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，能够对矿区某一周期内地表大范围运动趋势作出判断评估，为后续矿区待采区域工作面及地表工程的布置提供依据。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：
一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，包括如下步骤：
步骤一、地表沉降非结构化数据获取
步骤11、在待观测的矿区地表区域划定出矩形或近似矩形的闭合区域作为测区，在测区内布设若干个像控点；
步骤12、无人机按照预定的航线对测区拍摄照片；
步骤13、将无人机拍摄的照片数据导入至Menci APS数据处理软件生成测区的正射影像图，将正射影像图导入Photoscan软件处理并导出测区含高程信息的CAD图，高程信息包括三维空间坐标X、Y和Z；
步骤二、地表沉降结构化数据转化
步骤21、用AutoCAD软件打开CAD图，将CAD图中对应测区的图形沿测区的一个顶点在二维平面旋转，使图形的一条边沿着水平方向布置；
步骤22、用AutoCAD软件菜单栏“插入”菜单中的“提取数据”选项，将CAD图中的高程信息提取并导出结构化数据编辑软件文档，结构化数据编辑软件文档中保留三列数据，分别对应三维空间坐标X、Y和Z；
步骤23、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤22中的结构化数据编辑软件文档，在Gridding Method一栏中选择差值方法，在Output Grid Geometry一栏中，设置X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数，生成网格文件；
步骤24、点击三维绘图软件surfer中File菜单中的Open指令，打开步骤23中生成的网格文件，点击File菜单中的“Save As”指令，将数据输出拟合高程点坐标文件；
步骤三、不同航测时期的结构化数据处理
步骤31、重复步骤一至步骤二，对不同航测时期无人机拍摄的照片数据处理，输出不同航测时期的拟合高程点坐标文件；
步骤32、将不同航测时期的拟合高程点坐标文件导入结构化数据编辑软件中，将数据分为三列，分别对应三维空间坐标X、Y和Z；将后一次航测与前一次航测的Z列数据作差，生成数据列为“Z沉降”，而X与Y列数据保持不变；将X、Y和“Z沉降”三列数据保存至新的结构化数据编辑软件文档；
步骤四、地表大范围运动趋势判断
步骤41、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤32中的结构化数据编辑软件文档；在Output Grid Geometry一栏中，“X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数”的设置与步骤23保持一致，生成新的网格文件；
步骤42、点击三维绘图软件surfer中“Contour”指令，打开步骤41中新的网格文件，得到测区的沉降等值线图，沉降等值线图中沉降值大于0的区域为地表发生了抬升运动，沉降值小于0的区域为地表发生了下沉运动。
优选的，步骤13中，CAD图包括“Ⅰ型”CAD图和“Ⅱ型”CAD图；
“Ⅰ型”CAD图的高程点具备该点的三维空间坐标X、Y和Z；
“Ⅱ型”CAD图的高程点具备该点的平面坐标X和Y，而坐标Z标记为0，坐标Z的高程信息以CAD文字形式在高程点旁标出；
利用AutoCAD软件打开“Ⅱ型”CAD图，通过如下程序将高程点Z坐标批量赋值，使高程点具备三维空间坐标X、Y、Z，将“Ⅱ型”CAD图再保存；
该程序是基于Visual Studio 2015软件，使用C#语言编写基于ObjectARX托管的应用程序；
该程序步骤如下：
步骤a、使用选择集GetSelection选择AutoCAD绘图窗口中需要处理的数据点，得到需要赋Z值的所有点集(PointCollection)；
步骤b、打开“Ⅱ型”CAD图，以高程点中心为正方形中心，画出正方形，使正方形满足如下属性：正方形能够覆盖或正方形的边能够相交高程点附近标注的CAD文字，记录正方形的最小边长n0；
步骤c、遍历点图中的所有高程点，依次以某一点的坐标为中心(x0，y0)，绘制一条4点控制的多段线Polygon0，多段线控制点为(x0-n0/2，y0-n0/2)、(x0-n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0-n0/2)；
步骤d、使用选择集SelectCrossingPolygon选择Polygon0圈内和边界相交的实体，得到该点高程文本值(MText、DBText)，将该文本值转化为数字并赋值给该点Z值。
本发明的有益技术效果是：
本发明的基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，步骤简洁合理，结果清晰可靠，结果判断直观，能够对矿区某一周期内地表大范围运动趋势作出判断评估，地表断评估范围大幅增加，人员外业劳动强度大幅降低，为后续矿区待采区域工作面及地表工程的布置提供依据，对矿区地表大范围监测具有重要的理论意义和指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法的流程图；
图2为本发明实施例测区划定及像控点布设示意图；
图3为本发明实施例无人机航线示意图；
图4为本发明实施例含高程信息的“Ⅰ型”CAD图，高程点具备三维空间坐标X、Y、Z；
图5为本发明实施例含高程信息的“Ⅱ型”CAD图一，高程点具备三维空间坐标X、Y；
图6为本发明实施例含高程信息的“Ⅱ型”CAD图二，高程点Z坐标批量赋值，高程点具备三维空间坐标X、Y、Z；
图7为本发明实施例旋转后的CAD图；
图8为本发明实施例测区的沉降等值线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例的一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，请参考图1至图8所示。
一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，包括如下步骤：
步骤一、地表沉降非结构化数据获取
步骤11、在待观测的矿区地表区域划定出矩形或近似矩形的闭合区域作为测区，在测区内布设若4个像控点(图2中四个角的位置)，每个像控点用腻子粉或油漆画150×20cm的“L”字。
步骤12、在测区的中部附近选择平坦地面作为无人机的起飞点，打开地面站软件APCommander，将地图类型选择为“Bing卫星地图”；将测区顶点坐标导入地面站软件APCommander，设置无人机的航测参数，生成无人机的预定航线，如图3所示，无人机按照预定的航线对测区拍摄照片。
步骤13、无人机降落后，将无人机拍摄的照片数据导入至Menci APS数据处理软件生成测区的正射影像图，将正射影像图导入Photoscan软件处理并导出测区含高程信息的CAD图。
其中，CAD图包括“Ⅰ型”CAD图和“Ⅱ型”CAD图；
如图4所示，“Ⅰ型”CAD图的高程点具备该点的三维空间坐标X、Y和Z；
如图5所示，“Ⅱ型”CAD图的高程点具备该点的平面坐标X和Y，而坐标Z标记为0，坐标Z的高程信息以CAD文字形式在高程点旁标出；
利用AutoCAD软件打开“Ⅱ型”CAD图，通过如下程序将高程点Z坐标批量赋值，使高程点具备三维空间坐标X、Y、Z，将“Ⅱ型”CAD图再保存，如图6所示；
该程序是基于Visual Studio 2015软件，使用C#语言编写基于ObjectARX托管的应用程序；
该程序步骤如下：
步骤a、使用选择集GetSelection选择AutoCAD绘图窗口中需要处理的数据点，得到需要赋Z值的所有点集(PointCollection)；
步骤b、打开“Ⅱ型”CAD图，以高程点中心为正方形中心，画出正方形，使正方形满足如下属性：正方形能够覆盖或正方形的边能够相交高程点附近标注的CAD文字，记录正方形的最小边长n0；
步骤c、遍历点图中的所有高程点，依次以某一点的坐标为中心(x0，y0)，绘制一条4点控制的多段线Polygon0，多段线控制点为(x0-n0/2，y0-n0/2)、(x0-n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0-n0/2)；
步骤d、使用选择集SelectCrossingPolygon选择Polygon0圈内和边界相交的实体，得到该点高程文本值(MText、DBText)，将该文本值转化为数字并赋值给该点Z值。步骤二、地表沉降结构化数据转化
步骤21、用AutoCAD软件打开CAD图，将CAD图中对应测区的图形沿测区的一个顶点在二维平面旋转，使图形的一条边沿着水平方向布置，如图7所示。
步骤22、用AutoCAD软件菜单栏“插入”菜单中的“提取数据”选项；具体的，选择“创建新数据提取”，点击“下一步”；输入文件名和保存路径后点击“保存”；点击在“当前图形中选择对象”，并框选需要导出的高程点，点击“下一步”；提取数据对象选择“点”，点击“下一步”；“类别过滤器”选项中只勾选“几何图形”，特性选项中勾选“位置X”、“位置Y”和“位置Z”，之后点击“下一步”；“输出选项”窗口中，点击“将数据输出至外部文件”，输入文件名和输出路径，选择输出文件类型为“.xls”，点击“保存”和“下一步”，最后点击“完成”。即可将CAD图中的高程信息提取并导出Excel文档(本实施例的结构化数据编辑软件选为Excel)，Excel文档中保留三列数据，分别对应三维空间坐标X、Y和Z。
步骤23、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤22中的Excel文档，在Gridding Method一栏中选择差值方法(选为“Kriging”)，在Output Grid Geometry一栏中，设置X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数(#of Nodes)，生成文件格式为“.grd”的网格文件。
步骤24、点击三维绘图软件surfer中File菜单中的Open指令，打开步骤23中生成的网格文件，点击File菜单中的“Save As”指令，将数据输出文件格式为“.dat”的拟合高程点坐标文件。
步骤三、不同航测时期的结构化数据处理
步骤31、重复步骤一至步骤二，对不同航测时期无人机拍摄的照片数据处理，输出不同航测时期的拟合高程点坐标文件。
步骤32、将不同航测时期的拟合高程点坐标文件导入Excel中，将数据分为三列，分别对应三维空间坐标X、Y和Z；将后一次航测与前一次航测的Z列数据作差，生成数据列为“Z沉降”，而X与Y列数据保持不变；将X、Y和“Z沉降”三列数据保存至新的Excel文档。
步骤四、地表大范围运动趋势判断
步骤41、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤32中的Excel文档；在Output Grid Geometry一栏中，“X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数(#ofNodes)”的设置与步骤23保持一致，生成新的网格文件。
步骤42、点击三维绘图软件surfer中“Contour”指令，打开步骤41中新的网格文件，得到测区的沉降等值线图，如图8所示。沉降等值线图中沉降值大于0的区域为地表发生了抬升运动，沉降值小于0的区域为地表发生了下沉运动。图8原图设置为彩色，可以根据各区域的颜色判断沉降值。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法有了清楚的认识。本发明步骤简洁合理，结果清晰可靠，结果判断直观，能够对矿区某一周期内地表大范围运动趋势作出判断评估，地表断评估范围大幅增加，人员外业劳动强度大幅降低，为后续矿区待采区域工作面及地表工程的布置提供依据，对矿区地表大范围监测具有重要的理论意义和指导意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、地表沉降非结构化数据获取
步骤11、在待观测的矿区地表区域划定出矩形或近似矩形的闭合区域作为测区，在测区内布设若干个像控点；
步骤12、无人机按照预定的航线对测区拍摄照片；
步骤13、将无人机拍摄的照片数据导入至Menci APS数据处理软件生成测区的正射影像图，将正射影像图导入Photoscan软件处理并导出测区含高程信息的CAD图，高程信息包括三维空间坐标X、Y和Z；
步骤二、地表沉降结构化数据转化
步骤21、用AutoCAD软件打开CAD图，将CAD图中对应测区的图形沿测区的一个顶点在二维平面旋转，使图形的一条边沿着水平方向布置；
步骤22、用AutoCAD软件菜单栏“插入”菜单中的“提取数据”选项，将CAD图中的高程信息提取并导出结构化数据编辑软件文档，结构化数据编辑软件文档中保留三列数据，分别对应三维空间坐标X、Y和Z；
步骤23、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤22中的结构化数据编辑软件文档，在Gridding Method一栏中选择差值方法，在Output Grid Geometry一栏中，设置X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数，生成网格文件；
步骤24、点击三维绘图软件surfer中File菜单中的Open指令，打开步骤23中生成的网格文件，点击File菜单中的“Save As”指令，将数据输出拟合高程点坐标文件；
步骤三、不同航测时期的结构化数据处理
步骤31、重复步骤一至步骤二，对不同航测时期无人机拍摄的照片数据处理，输出不同航测时期的拟合高程点坐标文件；
步骤32、将不同航测时期的拟合高程点坐标文件导入结构化数据编辑软件中，将数据分为三列，分别对应三维空间坐标X、Y和Z；将后一次航测与前一次航测的Z列数据作差，生成数据列为“Z沉降”，而X与Y列数据保持不变；将X、Y和“Z沉降”三列数据保存至新的结构化数据编辑软件文档；
步骤四、地表大范围运动趋势判断
步骤41、打开三维绘图软件surfer，点击“grid data”，选择步骤32中的结构化数据编辑软件文档；在Output Grid Geometry一栏中，“X方向、Y方向的最大值、最小值以及节点数”的设置与步骤23保持一致，生成新的网格文件；
步骤42、点击三维绘图软件surfer中“Contour”指令，打开步骤41中新的网格文件，得到测区的沉降等值线图，沉降等值线图中沉降值大于0的区域为地表发生了抬升运动，沉降值小于0的区域为地表发生了下沉运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机航测的矿区地表大范围运动趋势判断方法，其特征在于，步骤13中，CAD图包括“Ⅰ型”CAD图和“Ⅱ型”CAD图；
“Ⅰ型”CAD图的高程点具备该点的三维空间坐标X、Y和Z；
“Ⅱ型”CAD图的高程点具备该点的平面坐标X和Y，而坐标Z标记为0，坐标Z的高程信息以CAD文字形式在高程点旁标出；
利用AutoCAD软件打开“Ⅱ型”CAD图，通过如下程序将高程点Z坐标批量赋值，使高程点具备三维空间坐标X、Y、Z，将“Ⅱ型”CAD图再保存；
该程序是基于Visual Studio 2015软件，使用C#语言编写基于ObjectARX托管的应用程序；
该程序步骤如下：
步骤a、使用选择集GetSelection选择AutoCAD绘图窗口中需要处理的数据点，得到需要赋Z值的所有点集(PointCollection)；
步骤b、打开“Ⅱ型”CAD图，以高程点中心为正方形中心，画出正方形，使正方形满足如下属性：正方形能够覆盖或正方形的边能够相交高程点附近标注的CAD文字，记录正方形的最小边长n0；
步骤c、遍历点图中的所有高程点，依次以某一点的坐标为中心(x0，y0)，绘制一条4点控制的多段线Polygon0，多段线控制点为(x0-n0/2，y0-n0/2)、(x0-n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0+n0/2)、(x0+n0/2，y0-n0/2)；
步骤d、使用选择集SelectCrossingPolygon选择Polygon0圈内和边界相交的实体，得到该点高程文本值(MText、DBText)，将该文本值转化为数字并赋值给该点Z值。
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