CN109459746B - 联合无人机和探地雷达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探地雷达的工程堆弃体量测量方法，通过率定探地雷达在堆弃体中的传播速率，可以准确测定堆弃体下表面高程，通过无人机航拍及控制点位布设准确获取堆弃体上表面高程，利用GIS计算堆弃体上下表面高程差即可计算出堆弃体量。该方法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

联合无人机和探地雷达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探地雷达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方活动，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。结合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，采用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：目前，探地雷达主要应用在冻土工程地质勘查、土壤含水量、坡地土层厚度估测、隧道衬砌检测、地下考古遗存、检测桥梁隐蔽病害方法、军事与安全探测、堤坝及库岸等水利工程探测方面。在雷达移动探测过程中，定时向地下发射脉冲电磁波，并不断接收到目标体的反射波，它们组成雷达剖面图像。通过对雷达图像的判读可确定目标体的分布特征，发射天线发射的电磁波在地表下传输，遇到介电特性突变的界面会发生反射，通过读取接收到的反射波传播时间和求取电磁波传播速度来计算目标体的埋藏深度。由于堆弃体是直接堆弃在原始地面上，二者接触面存在显著差异的介电特性，将探地雷达用于探测堆弃体堆积高度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，而提出一种联合无人机和探地雷达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，探地雷达测定堆弃体下表面高程，将上表面及下表面测定数据导入ArcGis中，通过3D Analyst工具即可精确计算堆弃体体积差，能够很好解决以上问题。

一种联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法，通过率定探地雷达在堆弃体中的传播速率，测定堆弃体下表面高程，通过无人机航拍及控制点位布设获取堆弃体上表面高程，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：率定探地雷达电磁波传播速率：随机在堆弃体表面选取至少3段已知长度线段，构成至少3条线，通过已知点位之间的距离Z以及脉冲波双程走时t，通过多次测量取平均值即可计算电磁波在堆弃体中的传播速率v：

其中X为探地雷达发射天线与接收天线距离；

步骤二：对步骤一得到的电磁波传播速率v通过查表验证堆弃体介质类型，确定介质类型后，按照如下公式获取电磁波在堆弃体介质中的传播速率v'：

式中：c_o为电磁波在真空中传播速率，μ为磁导率，ω为电磁波频率，σ为电导率，ε为介电常数；

步骤三：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，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；

步骤四：对步骤三得到的堆弃体航拍影像图进行解析，确定堆弃体下表面边界；沿堆弃体表面横向及竖向布设测线，将堆弃体分割为不同大小的网格；采用探地雷达对不同测点进行堆弃体深度测量，通过电磁波双程走时t'及步骤二计算得到的电磁波速率v'即可计算出堆弃体不同测点的深度值，结合步骤三上表面高程数据可以得到堆弃体下表面高程数据；

步骤五：将步骤三获得的堆弃体上表面高程值及步骤四获得堆弃体下表面高程值输入ArcGIS软件中，通过3D Analyst工具构建堆弃体的完整三维模型，计算堆弃体方量。

进一步的，所述步骤三中使用的定位仪为中海达Qmini A5/A7GPS定位仪。

进一步的，所述步骤三中使用的三维模型制作软件为Agisoft PhotoscanProfessional软件。

进一步的，所述探地雷达固定在探地雷达推车上，可根据需要将探地雷达进行移动。

本发明的有益效果：

本发明通过率定探地雷达在堆弃体中的传播速率后，通过查表验证堆弃体介质类型，获取电磁波在堆弃体介质中的传播速率，进而可以准确测定堆弃体下表面高程，通过无人机航拍及控制点位布设可准确获取堆弃体上表面高程，然后利用GIS计算堆弃体上下表面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是本发明无人机测量工程堆弃体上表面高程的流程示意图；

图2是本发明探地雷达测量工程堆弃体下表面高程的流程示意图；

图3是本发明联合无人机和探地雷达测量工程堆弃体量量测的的示意图。

图中：1—工程堆弃体(A1A2A3A4是下表面、B1B2B3B4是上表面)，2—探地雷达发射及反射电磁波，3—探地雷达推车，4—探地雷达，5—天线，6—探地雷达控制屏幕，7—无人机照相路径，8—无人机相机，9—无人机，10—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。

请参阅图1及图2，本发明联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法其中一个实施例包括如下步骤：

(1)率定探地雷达电磁波传播速率：在堆弃体表面随机选取3段已知长度分别为Z1、Z2、Z3的线段，计算探地雷达发射电磁波脉冲双程走时t1、t2、t3，通过公式

可计算可得出电磁波在堆弃体中的传播速率分别为v1、v2、v3(其中X为探地雷达发射天线与接收天线距离)，求取平均值确定电磁波在堆弃体介质中的传播速率为v。

(2)对照已知不同介质的传播速率确定堆弃体物质组成，查表后获取堆弃体介质类型，进而获得介质的电磁波频率ω、电导率σ、介电常数ε和磁导率μ，通过如下公式获取电磁波在堆弃体介质中的传播速率v'：

式中：c_o为电磁波在真空中传播速率(m/s)，μ为磁导率(H/m)，ω为电磁波频率(Hz)，σ为电导率(S/m)，ε为介电常数(F/m)。

(3)无人机航拍堆弃体上表面，并通过中海达Qmini A5/A7GPS定位仪布设控制点，获取堆弃体上表面高程B1B2B3B4，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，随后即可导出数字高程模型(DEM)和正射影像(DOM)。通过控制点位即可确定堆弃体上表面B1B2B3B4各点位的高程值。无人机航拍流程如图1所示。

(4)解析步骤(3)获取的堆弃体无人机航拍影像，确定堆弃体边界。探地雷达沿边界探测一圈，可得到不同探测点的深度，结合上表面各点位高程即可获取下表面边界线各点高程值。根据堆弃体高程分布特征，选取探地雷达及天线型号并设置参数，在其表面横向及竖向布设测线，将堆弃体沿俯视方向分割为不同大小的网格。探地雷达对网格的不同点位进行探测，并对接收的数据采用RADAN软件进行增益、滤波、算术运算、反卷积、偏移、静态校正、希尔伯特变化等处理后，通过记录电磁波双程走时t'以及步骤(2)电磁波传播速率v'即可计算出各点位的深度值，结合步骤(3)探测点高程数值即可计算出堆弃体下表面A1A2A3A4各点高程值。

(5)将无人机测定堆弃体上表面的高程值与探地雷达测定的下表面高程值输入Arcgis中，通过3D Analyst工具(路径：3D Analyst-->Surface Analysis-->Cut/Fill)即可计算出堆弃体的体积。

图3为本发明测量时的工作示意图，其使用到了探地雷达4和无人机9，其中无人机9上安装有无人机相机8、无人机电池10，探地雷达4固定在探地雷达推车3上，可根据需要将探地雷达4进行移动，探地雷达4上设有用于进行数据收发的天线5，探地雷达4上还设有对相关参数进行设置和控制的探地雷达控制屏幕6。探地雷达4在工作时形成探地雷达发射及反射电磁波2。

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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法，其特征在于：通过率定探地雷达在堆弃体中的传播速率，测定堆弃体下表面高程，通过无人机航拍及控制点位布设获取堆弃体上表面高程，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：率定探地雷达电磁波传播速率：随机在堆弃体表面选取至少3段已知长度线段，构成至少3条线，通过已知点位之间的距离Z以及脉冲波双程走时t，通过多次测量取平均值即可计算电磁波在堆弃体中的传播速率v：

其中X为探地雷达发射天线与接收天线距离；

步骤二：对步骤一得到的电磁波速率v通过查表验证堆弃体介质类型，确定介质类型后，按照如下公式获取电磁波在堆弃体介质中的传播速率v'：

式中：c₀为电磁波在真空中传播速率，μ为磁导率，ω为电磁波频率，σ为电导率，ε为介电常数；

步骤三：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，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；

步骤四：对步骤三得到的堆弃体航拍影像图进行解析，确定堆弃体下表面边界；沿堆弃体表面横向及竖向布设测线，将堆弃体分割为不同大小的网格；采用探地雷达对不同测点进行堆弃体深度测量，通过电磁波双程走时t'及步骤二计算得到的电磁波速率v'即可计算出堆弃体不同测点的深度值，结合步骤三上表面高程数据可以得到堆弃体下表面高程数据；

步骤五：将步骤三获得的堆弃体上表面高程值及步骤四获得堆弃体下表面高程值输入ArcGIS软件中，通过3D Analyst工具构建堆弃体的完整三维模型，计算堆弃体量。

2.如权利要求1所述的联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法，其特征在于：所述步骤三中使用的定位仪为中海达Qmini A5/A7GPS定位仪。

3.如权利要求1所述的联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法，其特征在于：所述步骤三中使用的三维模型制作软件为Agisoft Photoscan Professional软件。

4.如权利要求1所述的联合无人机和探地雷达的工程堆弃体量测量方法，其特征在于：所述探地雷达固定在探地雷达推车上，可根据需要将探地雷达进行移动。

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