露天矿山采空区精细化验收方法、系统、设备及介质

摘要

本发明公开了一种露天矿山采空区精细化验收方法、系统、设备及介质，所述方法包括：在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息；通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据；对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型；根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。本发明有助于及时反馈分析与后期设计优化，对于采空区规范化管理有着重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种露天矿山采空区精细化验收方法、系统、设备及介质，属于露天采矿领域。

背景技术

早先一些地下矿山采用空场法崩落采矿，产生了较多的采空区及巷道，虽然大部分采空区采用了废石充填或者封闭处理，但也遗留了较多未经处理的采空区；并且早期矿山民采、盗采现象管控较难，造成矿石品位较高的区域存在一些无开采设计资料的盲采空区。后期为了提高资源回收率和安全生产管理水平，采用了露天开采模式，故这些遗留的有资料及无资料的采空区对采场的安全生产带来了较大的威胁。针对采空区的处理，三维激光扫描仪、综合物探技术、高密度电法以及综合探测等技术应用在采空区的精密探测方面，为获取隐伏采空区的位置及相关参数提供了极大的帮助，有助于分析潜在的危害程度；在采空区处理的安全评价方面，数值模拟软件如FLAC3D、ANSYS等，用在分析采空区处理前后的安全处理效果评价，为安全评价提供了理论支撑；在工程实践方面，采空区充填率与遗留采空区体积作为主要的评价指标，其是通过公式计算得到相应的参数，对比分析采空区处理前后的数据，判定爆破后的采空区充填效果。

在实际情况中，露天矿山采空区的处理效果评价主要采用的是经验法，通过观察爆堆的宏观外在表象，分析采空区坍塌的程度，判定其是否处于安全状态；经验法主要依赖于技术管理人员的现场工作经验，具有一定的局限性，难以实现精细化评价与验收，故需要引入更为有效的技术手段。

无人机航测技术为先进的非接触式测量手段，在采空区等重大安全隐患的排查与分析方面，具有安全性好、可靠性高、效率高等显著优势，可真实反映被测区域地形地貌三维信息，已广泛应用在露天矿山开采设计与安全管理领域。通过查阅相关文献发现，无人机航测在采空区方面的研究相对较少，尤其是在采空区处理效果评定方面。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种露天矿山采空区精细化验收方法、系统、设备及介质，其通过应用无人机航测技术，可得到采空区爆前和爆后两期真实三维数据，进行影像模型信息与实际处理效果的匹配分析，进而实现采空区的精细化验收，有助于及时反馈分析与后期设计优化，对于采空区规范化管理有着重要的意义。

本发明的第一个目的在于提供一种露天矿山采空区精细化验收方法。

本发明的第二个目的在于提供一种露天矿山采空区精细化验收系统。

本发明的第三个目的在于提供一种计算机设备。

本发明的第四个目的在于提供一种存储介质。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种露天矿山采空区精细化验收方法，所述方法包括：

在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息；

通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据；

对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型；

根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

进一步的，所述在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息之前，还包括：

获取钻孔式三维激光扫描仪探测的采空区基本参数。

进一步的，所述通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据，具体包括：

对采空区所在爆区及周边的影像信息进行影像自动匹配分析，确保满足空中三角解析法计算的要求；

导入像控点及检查点坐标进行第一次刺点，确保每个像控点及检查点至少刺连续三张采空区所在爆区及周边的影像信息；

对第一次刺点后的影像信息进行第一次空中三角解析法计算，得到第一解算影像；

将第一解算影像进行第二次刺点，并对第二次刺点后的第一解算影像进行第二次空中三角解析法计算，得到第二解算影像，作为采空区所在爆区的三维密集点云数据。

进一步的，所述对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，具体包括：

判断采空区所在爆区的三维密集点云数据是否满足模型重建的要求；

若三维密集点云数据满足模型重建的要求，则通过三维模型精度误差、像控点及检查点误差，进行误差精度综合分析，判断误差精度是否满足预设比例的地形图成图精度要求；

若三维密集点云数据满足预设比例的地形图成图精度要求，则确定模型切块、坐标系选择、成果类型，进行模型重建，生成采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型。

进一步的，所述通过三维模型精度误差、像控点及检查点误差，进行误差精度综合分析，判断误差精度是否满足预设比例的地形图成图精度要求，具体包括：

根据三维模型精度误差，判断三维密集点云数据是否满足航测要求；

若三维密集点云数据满足航测要求，则以航测得到的像控点及检查点坐标作为坐标测量值，将坐标测量值与坐标真实值进行比对分析；

根据比对分析结果，判断误差精度是否满足预设比例的地形图成图精度要求。

进一步的，所述根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，具体包括：

基于采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，导入采空区范围坐标，提取爆前和爆后采空区所在爆区的全部高程点信息，并进行进一步加工处理，获取符合现场实际的高程点信息，从而得到爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况；

根据爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况，评价采空区的爆破处理效果。

进一步的，所述根据爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况，评价采空区的爆破处理效果，具体为：

根据爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况，并结合爆破后岩石的松散系数及爆堆实际推进距离，综合评价采空区的爆后实际充填程度。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种露天矿山采空区精细化验收系统，所述系统包括：

获取单元，用于在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息；

解析单元，用于通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据；

处理单元，用于对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型；

验收单元，用于根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的露天矿山采空区精细化验收方法。

本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的露天矿山采空区精细化验收方法。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过应用无人机航测技术，采集爆前和爆后阶段采空区所在爆区及周边的影像信息，通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据，对三维密集点云数据进行处理，可以得到采空区所在爆区的爆前和爆后两期三维模型，根据采空区所在爆区的爆前和爆后两期三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收，有助于及时反馈分析与后期设计优化，对于采空区规范化管理有着重要的意义。

2、本发明的无人机可以为多旋翼小型无人机，利用多旋翼小型无人机在低空小区域精准测绘的非接触式、灵活性好、精度高、操作简单方便、安全性好等特点，可安全快速高效采集采空区爆前爆后所在区域的高精度三维模型信息，成本低廉、人工劳动强度低、安全可靠性高，可及时更新采空区所在区域的实际地形变化数据。

3、本发明利用自带360度自动旋转高清探头的钻孔式三维激光扫描仪，具有精度高、效率高、速度快等特点，能够安全高效地探测隐伏采空区的基本参数，精准获取采空区的有效信息，为制定采空区爆破设计方案奠定基础。

4、本发明对采空区所在爆区及周边爆前和爆后两期的影像信息进行空中三角解析计算，转化为采空区所在区域的三维密集点云数据，真实还原采空区爆破区域的三维地形信息，图像解析处理高效，数据完整性好、真实可靠，三维可视化效果好。

5、本发明通过采空区范围坐标，实现采空区与所在爆区的同时展示，通过圈定采空区境界范围线，快速生成爆前爆后采空区的高程点信息，真实性好，三维可视化程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的露天矿山采空区精细化验收方法的简易流程图。

图2为本发明实施例1的露天矿山采空区精细化验收方法的详细流程图。

图3为本发明实施例2的露天矿山采空区精细化验收系统的结构框图。

图4为本发明实施例3的计算机设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种露天矿山采空区精细化验收方法，该方法包括以下步骤：

S101、获取钻孔式三维激光扫描仪探测的采空区基本参数。

本实施例通过高精度采空区探测设备精准获取采空区的基本参数，该高精度采空区探测设备包括下方的360度旋转高清探头、信号连接线、对应的探测影像实时显示及控制软件等，可以采用钻孔式三维激光扫描仪(如C-ALS型)，将钻孔式三维激光扫描仪下放至打穿钻孔中，连接显示和控制软件，设置探头每圈旋转角度和高度，钻孔式三维激光扫描仪具有精度高、效率高、速度快等特点，能够安全高效地探测隐伏采空区的基本参数，包括跨度、高度、面积、体积等基本要素，精准获取采空区的有效信息，为制定爆破设计方案奠定基础。

S102、在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息。

本实施例的无人机采用小型多旋翼无人机，小型多旋翼无人机可以是四旋翼、六旋翼、八旋翼搭载五镜头的多旋翼无人机，也可以是能够实现五镜头航摄的其他类型无人机，小型多旋翼无人机航拍包括像控点与检查点的选取与确认、无人机外业航测规划以及实施外业航测这三个过程，具体说明如下：

(1)像控点与检查点的选取与确认：按照采空区所在爆区范围大小及露天采场台阶分布情况，制定像控点及检查点的放点计划，保证高程精度和平面精度控制要求，采取手持RTK进行现场放点，做好点之记，便于后期刺点识别。

(2)无人机外业航测规划：按照爆区范围，选择五向飞行模式，重叠率要高，保证均大于80％，根据天气情况调整相机参数，且选择快门优先；然后生成航测计划，并需要进行再次检查，确保航测计划合理可行。

(3)实施外业航测：调用指定的航测计划，按照飞行指示，实施航测计划。若一个架次无法完成，则更换电池后调用飞行中的计划，继续按照飞行指示实施航测，直至作业任务全部完成，获取爆区的全部地形地貌信息。

本实施例通过第(1)～(3)步的小型多旋翼无人机航拍采集，可以获取得到爆前和爆后两个阶段(两期)的采空区所在爆区及周边的影像信息。

S103、通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据。

具体地，该步骤S103为影像匹配与空三计算过程，通过专业航测处理软件(如Smart 3D软件、大疆智图软件)实现，包括：将采空区所在爆区及周边的影像信息导入至专业航测处理软件，首先进行影像匹配分析，确保满足空中三角解析法计算的要求；再导入像控点及检查点坐标进行第一次刺点，确保每个像控点及检查点至少刺连续三张采空区所在爆区及周边的影像信息，对第一次刺点后的影像信息进行第一次空中三角解析法计算，得到第一解算影像；将第一解算影像进行第二次刺点，并对第二次刺点后的第一解算影像进行第二次空中三角解析法计算，得到第二解算影像，作为采空区所在爆区的三维密集点云数据。

S104、对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型。

具体地，该步骤S103为误差分析及模型重建过程，包括：通过空三计算解算生成的质量报告，查看采空区所在爆区的三维密集点云数据，判断采空区所在爆区的三维密集点云数据是否满足模型重建的要求；若三维密集点云数据满足模型重建的要求，则通过三维模型精度误差、像控点及检查点误差，进行误差精度综合分析，判断误差精度是否满足预设比例(1：500)的地形图成图精度要求；若不满足，返回步骤S102中第(1)步，并执行后续步骤，直至满足预设比例的地形图成图精度要求；若满足，则确定模型切块(划分为多个块段)、坐标系选择、成果类型，在此基础上，进行模型重建，生成采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，包括DOM、DSM、DEM等，采空区所在爆区的爆前三维模型以及采空区所在爆区的爆后三维模型为两期三维模型，具有数据完整性好、真实性好、三维可视化好等特点。

进一步地，通过三维模型精度误差、像控点及检查点误差，进行误差精度综合分析，判断误差精度是否满足预设比例的地形图成图精度要求，具体包括：

A、根据三维模型精度误差，判断三维密集点云数据是否满足航测要求。

B、若三维密集点云数据满足航测要求，则以航测得到的像控点及检查点坐标作为坐标测量值，将坐标测量值与坐标真实值进行比对分析。

C、根据比对分析结果，判断误差精度是否满足预设比例的地形图成图精度要求。

S105、根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

具体地，该步骤S105包括采空区爆前爆后三维模型数据的提取与加工以及采空区处理效果精细化评价两个过程，具体说明如下：

(1)采空区爆前爆后三维模型数据的提取与加工：基于采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，导入至兼容性好且集成化程度高的专业处理软件(如南方Idata软件)，通过导入钻孔式三维激光扫描仪测得的采空区坐标，作为采空区实际范围线，将采空区精准反映在爆区的爆前和爆后三维模型中，利用面内提取或者线上提取高程点功能，自动提取爆前和爆后采空区所在爆区的全部高程点信息，并进行进一步加工处理，获取符合现场实际的高程点信息，真实还原爆破对采空区空间形态变化的影响，可以得到爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况。

(2)采空区处理效果精细化评价：根据爆前和爆后采空区所在爆区的高程点信息变化情况，并结合爆破后岩石的松散系数及爆堆实际推进距离，综合评价采空区的爆后实际充填程度，采空区的爆后实际充填程度即为采空区的爆破处理效果；同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息(包括多角度照片、录制的爆破视频等)及现场挖机实际挖装反馈情况，多方面保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收，有助于及时反馈分析与后期设计优化。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

实施例2：

如图3所示，本实施例提供了一种露天矿山采空区精细化验收系统，该系统包括第一获取单元301、第二获取单元302、解析单元303、处理单元304和验收单元305，各个单元的具体功能如下：

第一获取单元301，获取钻孔式三维激光扫描仪探测的采空区基本参数。

第二获取单元302，用于在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息。

解析单元303，用于通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据。

处理单元304，用于对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型。

验收单元305，用于根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

本实施例中各个单元的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述；需要说明的是，本实施例提供的系统仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以为计算机，如图4所示，其通过系统总线401连接的处理器402、存储器、输入装置403、显示器404和网络接口405，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质406和内存储器407，该非易失性存储介质406存储有操作系统、计算机程序和数据库，该内存储器407为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境，处理器402执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1的露天矿山采空区精细化验收方法，如下：

在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息；

通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据；

对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型；

根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

进一步地，所述在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息之前，还包括：

获取钻孔式三维激光扫描仪探测的采空区基本参数。

实施例4：

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的露天矿山采空区精细化验收方法，如下：

在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息；

通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，将采空区所在爆区及周边的影像信息转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据；

对采空区所在爆区的三维密集点云数据进行处理，得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型；

根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收。

进一步地，所述在爆前和爆后阶段，获取无人机航拍采集的采空区所在爆区及周边的影像信息之前，还包括：

获取钻孔式三维激光扫描仪探测的采空区基本参数。

需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

综上所述，本发明通过应用无人机航测技术，采集爆前和爆后阶段采空区所在爆区及周边的影像信息，通过空中三角解析法对采空区所在爆区及周边的影像信息进行解析，转化为采空区所在爆区的三维密集点云数据，对三维密集点云数据进行处理，可以得到采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，根据采空区所在爆区的爆前和爆后三维模型，评价采空区的爆破处理效果，同时基于采空区所在爆区及周边的影像信息及实际挖装反馈情况，保证采空区的爆破处理效果评价可靠性，实现露天矿山采空区精细化验收，有助于及时反馈分析与后期设计优化，对于采空区规范化管理有着重要的意义。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。