[發明專利]一種基于無人機遙感的采煤地表沉陷量監測計算的方法

有效

• 申請號: 201710146003.X
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106969751B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 侯恩科;首召貴;高冠杰;謝曉深
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00;G01C11/06;G01C5/00
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司61100
• 代理人: 李中群

1.一種基于無人機遙感的采煤地表沉陷量監測計算的方法，其特征在于利用小型無人機遙感技術對采煤地表沉陷量進行計算，過程如下：

步驟一、無人機航線設計：根據研究區地形地貌、范圍、位置和地面分辨率規劃無人機飛行航線；

無人機航線主要包括航高、重疊率和航向，過程如下：

步驟101、航高確定：根據公式

H=f×GSDa---(1)]]>

計算得到一定地面分辨率對應下的飛行高度H，H的單位為米；公式(1)中，GSD為地面分辨率，單位為米；f為相機鏡頭焦距，單位為毫米；a為相機像元尺寸，單位為微米；

步驟102、重疊率確定：根據研究區地形地貌特征確定，設定平原區航向和旁向重疊率分別為60％和40％，山區航向和旁向重疊率分別為80％和60％；

步驟103、航向確定：根據研究區形狀沿研究區主軸向布置確定；

步驟二、無人機航拍：將設計的航線導入無人機，操控無人機按設定航線飛行并間隔航拍采集研究區遙感影像；每一架次航拍完成后導出采集到的遙感圖像和坐標數據，并進行重疊度和影像質量的檢查；

步驟三、遙感圖像處理：將無人機航拍得到的遙感影像和坐標數據導入Pix4D mapper 2.0專業遙感圖像處理軟件，先后完成圖像拼接、點云加密、DOM和DSM生成處理，并按1000cm的格網密度大小導出研究區內各網格點P’₁、P’₂、P’₃、…、P’_n的平面坐標X、Y和大地高Z_大；

步驟四、地面控制測量：根據研究區范圍和地理特征布設若干數量控制點，并對這些點逐一進行測量，具體做法如下：

步驟401、控制測量點數確定和布設：將無人機航測得到的各點P’₁、P’₂、P’₃、…、P’_n展布在研究區圖上，根據研究區面積和地形地貌從這些點中選擇m個地面測量點P₁、P₂、P₃、…、P_m(m≥5)，測量點均勻分布在研究區內，以一個綜采工作面為例，地面控制測量的點分布在工作面的四個角落和中心位置，并且數量不少于5個；

步驟402、控制點測量：分別對地面測量點P₁、P₂、P₃、…、P_m進行放樣，并按高程四等水準測量的高精度控制測量要求對這些地面測量點一一施測，得到各測量點P₁、P₂、P₃、…、P_m的正常高Z_正；

步驟五、GPS高程擬合校正：根據地面控制測量結果，采用4參數曲面擬合的GPS高程擬合校正模型對無人機航測得到的三維坐標進行校正，過程如下：

步驟501、4參數計算：根據公式

H_正＝H_大-ζ_i(i＝1,2,3,…,m) (2)

計算出各公共點P₁、P₂、P₃、...、P_m對應的高程異常值ζ_i，公式(2)中，H_正為正常高值，H_大為大地高值，單位均為米；ζ_i為各公共點P₁、P₂、P₃、…、P_m對應的高程異常值；并根據公式

ζ_i＝a₀+a₁x_i+a₂y_i+a₃x_iy_i(i＝1,2,3,…,m) (3)

計算得到a₀、a₁、a₂和a₃這4個參數的值，公式(3)中，a₀、a₁、a₂和a₃為未知參數，ζ_i為各公共點P₁、P₂、P₃、...、P_m高程異常值，單位為米，x_i和y_i為各公共點P₁、P₂、P₃、...、P_m對應的平面坐標，單位為米；

由于公共點的數目大于4個，列出相應的誤差方程

v_i＝a₀+a₁x_i+a₂y_i+a₃x_iy_i-ζ_i(i＝1,2,3,…,m) (4)，

公式(4)中，v_i為誤差值；寫成矩陣形式為

V＝XA-ζ (5)，

公式(5)中，

根據最小二乘法原理可求得

A=a0a1a2a3=(XTX)-1XTζ---(6);]]>

步驟502、精度評定：GPS高程擬合校正包括內符合精度和外符合精度，過程如下：

步驟5021、內符合精度確定：根據公式

V_i＝ζ_i-ζ_i' (7)

計算得到擬合模型的殘差V_i，公式(7)中，V_i為擬合殘差，ζ_i為n個參與擬合計算已知點的實際值，ζ_i'為n個參與擬合計算已知點的擬合值；并根據公式

計算擬合模型的內符合精度M_內，公式(8)中，M_內為內符合精度，V_i為擬合殘差，n'為參與擬合計算的已知點數量；

步驟5022、外符合精度確定：根據公式

計算擬合模型的外符合精度M_外；公式(9)中，M_外為外符合精度，V_i為擬合殘差，m'為檢核點數量；

步驟503、高程校正：將公式(6)得到的各參數a₀、a₁、a₂和a₃代入公式(3)可求得所有網格點P’₁、P’₂、P’₃、...、P’_n的高程異常ζ_i(i＝1,2,3,…,n)，將ζ_i代入公式(2)即可得到所有網格點P’₁、P’₂、P’₃、...、P’_n的正常高H_校正；

步驟六、沉陷量計算：利用校正后得到的地表高程值與開采前地形圖高程值進行比較，計算開采后地表沉陷量；

將GPS高程擬合校正后得到的平面點P”₁、P”₂、P”₃、...、P”_n的坐標X、Y和正常高Z_校正展點到研究區原有地形圖上，并按100米×100米的格網對該疊加圖進行網格劃分，對比分析各新格網點采前和采后高程值，根據公式

ΔH＝H₀-H_校正 (10)

即可計算得出研究區開采前與開采后地表沉陷量值ΔH，最后繪制相應的下沉等值線圖；公式(10)中，ΔH為開采前與開采后地表沉陷量值，單位為米；H₀為開采前原地形圖上的高程值，單位為米；H_校正為經GPS高程擬合校正后的各平面點P”₁、P”₂、P”₃、...、P”_n的高程值，單位為米。