基于无人机航测的煤矸石山治理BIM正向设计

陈凤阁

(中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300131)

长期的煤炭开采会造成煤矸石大量排放，往往以“煤矸石山”的形态分布于我国各大主要煤炭开采矿区[1]。国家及各级地方政府对环境问题越来越重视，陆续出台了各种环保政策文件，煤矸石山治理迫在眉睫。目前，煤矸石山治理设计主要采用“人工测图+CAD设计图”的方式，效率极低。矸石山灭火防复燃施工工艺较为复杂，传统的图纸和文字说明很难表述清楚，导致设计意图不明，需要设计人员常驻现场指导施工。随着无人机航测技术与BIM技术的日趋成熟，为煤矸石治理设计提供了新方法。无人机航测具有获取数据便捷、数据生产成本低等优点[2]，能得到完整的三维地形数据[3]；BIM技术具有三维的可视化设计、准确的工程量统计、科学的模拟计算等特点[4]。针对目前煤矸石山治理设计中存在的弊端，本文将无人机航测技术与BIM技术应用在该领域，在提高效率的同时，三维模型及动画更加直观地表达了设计意图，为矸石山治理设计提供了新思路。

1 工程背景

该露天矿位于山西省朔州市，属温带大陆性季风气候。该矿排矸场位于矿区某联络道路北侧，已排至封场标高，排矸石约950万m3，排矸现状边界区域面积约28.4hm2，堆矸体标高在+1430～+1465m之间，局部进行了黄土覆盖。测区平均高程为1450m，高差约60m，地表大部分为裸露地表，地表覆盖物较为简单，便于开展航测。

为达到治理区域山体稳定、生态系统恢复的目的，本工程涉及山体整形稳定工程、灭火防复燃工程、生态系统修复工程、配套工程(排水工程、道路工程等)。

2 无人机航空摄影测量

传统的RTK测量对地形的表达是“以点代面”，由于测区内存在不同程度的土堎和矸石小堆，RTK测量很难表示这些细小的地形变化，且效率低下。故采用低空无人机对测区进行航测，获取测区精细的三维地形数据，为工程量的准确计算提供数据支撑，数据获取效率提高了约60%。

2.1 无人机航飞及像控点布设

像控点采用1.5m×1.5m红绿相间的地标铺设，本次像控点的布设采用区域网布点方案。

航向相邻平面控制点间隔基线数根据式(1)计算：

航向相邻高程控制点间隔基线数根据公式(2)计算：

式中，ms为连接点的平面中误差；mh为连接点的高程中误差；K为像片放大成图的倍数；mq为视差量测的单位权重误差；n为航线方向相邻像控点的间隔基线数；b为像片基线长度。

通过公式(1)(2)计算，像控点间隔基线数为15条，考虑到GPS辅助航摄区域网布点可适当放宽，故像控点间隔基线数不大于20条。旁向相邻平面控制点的航线跨度为4～5条。在测区布设16个像控点。

无人机航摄按照比例尺为1∶500的技术要求实施，即地面平均分辨率为4cm，根据搭载的相机参数，确定相对航高为300m。航向重叠度为75%，旁向重叠度为65%，航飞情况如图1所示。

当我们悉心倾听一个人的幽幽诉说，当我们沉醉于慷慨激昂的演讲，当我们倾诉自己真实的心灵，当我们复述一个幽默的故事，当我们聚在一起夸夸其谈一个观点，当我们描述一个人的形象，当我们索要今天的晚报，当我们随意看到一个新颖的广告或标语，当我们醉心于时尚杂志的动听词汇，这些都离不开语文。

图1 航飞示意图

2.2 数据处理

将无人机航飞获得的影像数据、POS、像控点坐标和相机文件导入到Pix4D Mapper软件中进行空三加密和成果输出。

绝对定向后，在EPS绘图软件中检查，实地测量平面检查点5个，平面中误差为0.07m，实地测量高程检查点65个，高程中误差为0.08m。满足规范要求。检查点误差分布如图2所示。从图2可以看出，误差分布符合正态分布规律，无粗差存在。

图2 检查点误差分布

无人机航测数据处理完成后，可得到正射影像(DOM)和点云数据(.las格式)。考虑到Civil 3D软件不支持.las格式点云，故需将点云格式转换为可读取的.txt格式[5]。为实现格式的转换，笔者在matlab软件中编写了转换程序，实现了.las格式到.txt格式的大数据批量转换。

将无人机航测生成的正射影(DOM)映射至地表模型(本文为点云数据)，合成真实的三维地表模型[6]。测区的三维模型如图3所示。

图3 三维模型

由于该模型具有表示地形的点云数据(点密度可达5～10cm)和正射影像的纹理信息，可将该模型直接导入到BIM软件中进行正向设计和工程量计算。

3 BIM正向设计

无人机航测技术获取三维地形数据(正射影像、点云)可直接导入BIM软件中进行设计，不再需要CAD地形图。对于该工程，主要设计内容包括山体整形设计、道路设计、景观设计、灭火防复燃工程等，其中山体整形设计和道路设计在Civil 3D软件中进行，景观设计在Infraworks软件中进行，灭火防复燃工艺动画在lumion软件中制作。

3.1 山体整形设计

治理区域西侧和南侧为自然堆放而成的高边坡，最高处达40m，治理区域顶部地势相对平缓，为保证边坡的稳定、减小土方工程量，故在治理区西侧和南侧布置为多级边坡；在治理区顶部平整为一个大平台，平台坡度0.5%～5%。

在Civil 3D中，三维地形被称为曲面[7]，是由点云构建的不规则三角网(TIN)[8]。利用三角网建立DTM模型计算土方量方法最优[9](在Civil 3D中称为曲面法)。

将点云、正射影像导入到Civil 3D中，建立原始地形曲面。应用Civil 3D软件中的放坡工具进行多级边坡的参数化设计，采用要素线和曲面填充工具进行顶部平台的整形，最终合并为设计曲面。利用体积计算工具(曲面法)，计算原始地形曲面和设计曲面之间的填挖方量，并以之为参考，进行边坡的参数调整，使设计曲面的填挖方达到平衡。设计曲面边缘与原始地形曲面相接处采用自动放坡工具，进行自动化放坡。设计地表曲面如图4所示。

图4 设计地表曲面

建立了设计曲面，可采用曲面法快速而准确地计算填挖方量、所需黄土量等工程量。

3.2 道路设计

治理区南侧为某联络道路，考虑到顶部平台与该道路高差达到约40m，根据航测三维地形，治理区域西侧地势较缓，故道路主线从西侧与该联络道路相连，终点位于排矸场顶部平台；道路环线横跨排矸场顶部平台；两条支线位于平台中部，南北走向，贯通环线内部。道路采用场外辅助道路标准，设计速度15km/h，宽6.0m。

采用导线法在Civil 3D创建道路中线，根据设计曲面创建道路中线纵断面，进行道路纵断面设计；创建标准横断面，进行横断面设计；创建道路模型，生成道路曲面，如图5所示。道路模型生成后可进行土方计算与平衡、驾驶模拟、视距分析等应用，用以辅助设计。

图5 道路设计

3.3 景观设计

治理区位于朔州市，环境较为恶劣，优先选择耐贫瘠的肥料树种，并兼顾乔、灌、草植物品种的合理选择。本次设计在西侧及南侧边坡主要栽植常绿树种小油松；平台植被恢复以生态修复为主，间隔种植卫矛球、油松；后期依靠乡土植物入侵，形成草、灌、乔组成的植物群落。

在Civil 3D完成山体整形设计和道路设计后，可将模型信息以.imx格式无损导入Infraworks软件中[10]，并将正射影像根据相应坐标系映射至模型。Infraworks软件中提供了常用的树种，可直接根据设计密度进行模型栽种，精确统计植被数量。设计成果如图6所示。

图6 设计成果

3.4 灭火防复燃工程

本次灭火防复燃工程采用挖除灭火、田字形开沟注浆封闭灭火、山体结合部灌浆封闭、风道灌浆封闭、平台全封闭、坡面全封闭等综合治理措施，确保灭火防复燃效果。

由于排矸场火情的复杂性以及治理措施结合使用，使得煤矸石山灭火防复燃工艺较为复杂，为保证施工单位能清楚明了地掌握，制作了灭火防复燃施工工艺动画。

将BIM模型以.fbx格式导入lumion软件中，进行模型渲染和动画的制作。

图7 田字形开沟注浆封闭灭火工艺流程

3.5 实际应用效果

煤矸石山治理前现场存在多处着火点，煤矸石自燃不断产生有害气体，治理区绝大部分植被均已枯死，生态环境遭到极大破坏。

图8 治理前现场照片

根据现场情况，应用无人机航测技术和BIM技术，高效完成了BIM正向设计及灭火防复燃工艺动画制作，使复杂的施工工艺变得清楚易懂。

图9 BIM设计模型

根据治理后火情监测结果，着火点均已扑灭，无复燃情况，植被成活率达到了95%以上，生态环境得到了根本改变。

图10 治理后现场照片

4 结 论

1)与传统测图相比，在煤矸石山治理设计中应用无人机航测技术，测图效率提高了约60%；航测获取的三维地形数据可直接应用于BIM设计，代替了CAD地形图，实现了测绘、设计的全三维化。

2)在煤矸石山治理项目中，应用BIM技术进行正向的协同设计，工程量计算更加准确，设计效率提高了约30%；三维化的设计成果更加直观，根据BIM模型制作的灭火防复燃工艺动画，对现场施工起到了重要的指导作用。

3)在煤矸石山治理设计方面，本文探索了“无人机航测+BIM设计”的工作模式，具有极强的可复制性。