基于无人机技术的垃圾填埋场巡检技术研究*

胡良军 陈晓强

1. 广州市市政工程试验检测有限公司 广东 广州 510520；2. 广州市建筑科学研究院集团有限公司 广东 广州 510440；3. 清华大学博士后流动站 北京 100084；4. 广州环投环境服务有限公司 广东 广州 510540

引言

近年来覆膜处理技术越来越多地应用在新型卫生填埋场。覆膜处理技术可有效控制填埋区露天作业面积，有效减少雨水渗入垃圾堆体，防止堆体近表面污染气体扩散，实现垃圾填埋场雨污分流、减少渗滤液产生，减轻对周围环境的负担。覆膜所用的HDPE膜是一种柔性土工膜材料，具有渗透系数低、机械强度好、耐热性、耐化学腐蚀性等特点[1]。在不同季节覆膜区的气体污染物总化学浓度和臭气浓度相比暴露区大幅下降[2-3]。

1 研究背景

兴丰填埋场位于广州市，是具有国际水准的现代化生活垃圾卫生填埋场。该填埋场是国内首个采用双衬层防渗系统和反渗透工艺处理渗滤液等高新技术建设的垃圾填埋场，实现了污水零排放[4]。

填埋场已停止垃圾填埋，目前主要处理垃圾焚烧后的飞灰，并对垃圾堆体产生废水、气体进行综合处理与利用[5-7]。日常有专班组负责对垃圾覆膜进行表面完整性检查，及时发现表面破损、刺穿、撕裂等病害并安排维修，防止有害气体扩散，同时避免因覆膜破损导致雨水下渗造成垃圾渗滤液流量增加。然而常规人工巡检难以对这些病害进行全面细致的摸查，且劳动强度，在填埋区行走安全风险大。

无人机技术近年来快速发展，被广泛地应用于各种工程场景，提升了检测效率，为实现自动巡查、特征智能识别提供了可能。本文提出建立基于无人机航拍技术的填埋场覆膜破损状况快速巡检方法，包括对覆膜刺穿、撕裂类病害的巡检检测。结合垃圾填埋场所处的地理条件和病害类型，对无人机的适应性、测试速度、路径规划进行现场测试。该巡检方法对于后期建立可见光下覆膜病害图像样本库、建立基于图像样本训练神经网络模型和动态监测覆膜状况起着关键作用。

2 测试准备

2.1 测试区域

填埋场采用的土工合成材料覆膜厚度1.5mm，在遭遇尖锐物体时或应力集中时会发生刺穿或撕裂现象。由于医疗区垃圾堆体的危害性大、刺穿的可能性高，是人工巡查的难点和重点。一旦刺穿将造成雨水渗入、废液增多的问题。本测试主要针对兴丰填埋场医疗区堆体覆膜展开巡查。

2.2 测试设备

通过前期测试，确定了采用大疆经纬M300RTK作为本测试的巡检无人机（图1）。镜头采用禅思P1全画幅航测镜头（图2）。P1集成了全画幅4500万图像传感器与三轴云台，能实现时间同步技术、智能摆动拍摄、可更换定焦镜头的功能。

图1 大疆经纬M300RTK无人机

图2 禅思P1全画幅航测镜头

3 测试过程

3.1 测试流程

①对垃圾填埋场进行整体的航测，生成数字正摄影像图、数字高程模型和三维实景模型；②基于数字正摄影像图确定缺陷监测的区域，再基于数字高程模型规划生成贴近摄影飞行航线；③使用大疆经纬M300RTK无人机挂在禅思P1全画幅航测相机（镜头焦距35mm）对缺陷监测区域进行航拍；④对缺陷位置进行识别，并在三维模型上准确定位缺陷的位置。

3.2 无人机贴近摄影航线设置

由于医疗器械区的刺破多，病害多，人工巡查难度大、危险性高，本文对医疗器械区进行贴近摄影。无人机贴近摄影航线如图3所示。

图3 无人机贴近摄影航线

3.3 飞行器及相机参数设置

通过无人机在不同高度飞行的两个巡查方案A和B，获得不同分辨率的图像样本，如表1所示。方案A飞行高度为7.99m，飞行速度2m/s，方案B飞行高度为15.97m，飞行速度4m/s，两种方案的拍摄重叠度设置为20%。

表1 巡查方案

4 测试结果

飞行测试结果如表1所示。对比在低航高8mm飞行，重叠度在20%的情况下，高航高16mm飞行时间缩短71.5%，照片数量减少72.6%，影像分辨率2mm。低航高飞行时，影像分辨率1mm。

不同分辨率条件下的缺陷照片效果对比如图4所示。通过对比观察航拍图像，可以发现采用无人机可见光航拍方法，所获得的图像分辨率在2mm和1mm时都能够对填埋场覆膜缺陷进行有效辨别。选择分辨率为2mm的航拍方案B，效率更高，处理图像数据更少。通过设置自动航行路线，能有效减少对飞手的依赖，实现快速化和智能化获取数据，对下一步建立病害图像识别系统提供技术支撑。

图4 不同分辨率情况下缺陷位置照片效果对比

5 结束语

基于本文的无人机可见光航拍方法适用性研究结果，确定满足超大型垃圾填埋场堆体覆膜缺陷识别要求的最优设备、飞行高度、轨迹、拍摄时间等参数。根据超大型垃圾填埋场堆体特征设置合理的巡航路线贴近边坡进行拍摄，有效减少碰撞导致的无人机坠落事故，提高无人机现场检测效率，优化采集边坡病害图像的可识别率。在此基础上，可建立适用于超大型垃圾填埋场堆体的智能巡检技术，并针对无人机巡检发现的高风险区域，进行人工复核及加密监测。为评估覆膜完整性情况、开展定期集中覆膜修复工作提供指导。