陳鳳閣

(中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300131)

長期的煤炭開采會造成煤矸石大量排放，往往以“煤矸石山”的形態(tài)分布于我國各大主要煤炭開采礦區(qū)[1]。國家及各級地方政府對環(huán)境問題越來越重視，陸續(xù)出臺了各種環(huán)保政策文件，煤矸石山治理迫在眉睫。目前，煤矸石山治理設計主要采用“人工測圖+CAD設計圖”的方式，效率極低。矸石山滅火防復燃施工工藝較為復雜，傳統(tǒng)的圖紙和文字說明很難表述清楚，導致設計意圖不明，需要設計人員常駐現(xiàn)場指導施工。隨著無人機航測技術與BIM技術的日趨成熟，為煤矸石治理設計提供了新方法。無人機航測具有獲取數(shù)據(jù)便捷、數(shù)據(jù)生產成本低等優(yōu)點[2]，能得到完整的三維地形數(shù)據(jù)[3]；BIM技術具有三維的可視化設計、準確的工程量統(tǒng)計、科學的模擬計算等特點[4]。針對目前煤矸石山治理設計中存在的弊端，本文將無人機航測技術與BIM技術應用在該領域，在提高效率的同時，三維模型及動畫更加直觀地表達了設計意圖，為矸石山治理設計提供了新思路。

1 工程背景

該露天礦位于山西省朔州市，屬溫帶大陸性季風氣候。該礦排矸場位于礦區(qū)某聯(lián)絡道路北側，已排至封場標高，排矸石約950萬m3，排矸現(xiàn)狀邊界區(qū)域面積約28.4hm2，堆矸體標高在+1430～+1465m之間，局部進行了黃土覆蓋。測區(qū)平均高程為1450m，高差約60m，地表大部分為裸露地表，地表覆蓋物較為簡單，便于開展航測。

為達到治理區(qū)域山體穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)恢復的目的，本工程涉及山體整形穩(wěn)定工程、滅火防復燃工程、生態(tài)系統(tǒng)修復工程、配套工程(排水工程、道路工程等)。

2 無人機航空攝影測量

傳統(tǒng)的RTK測量對地形的表達是“以點代面”，由于測區(qū)內存在不同程度的土堎和矸石小堆，RTK測量很難表示這些細小的地形變化，且效率低下。故采用低空無人機對測區(qū)進行航測，獲取測區(qū)精細的三維地形數(shù)據(jù)，為工程量的準確計算提供數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)獲取效率提高了約60%。

2.1 無人機航飛及像控點布設

像控點采用1.5m×1.5m紅綠相間的地標鋪設，本次像控點的布設采用區(qū)域網布點方案。

航向相鄰平面控制點間隔基線數(shù)根據(jù)式(1)計算：

航向相鄰高程控制點間隔基線數(shù)根據(jù)公式(2)計算：

式中，ms為連接點的平面中誤差；mh為連接點的高程中誤差；K為像片放大成圖的倍數(shù)；mq為視差量測的單位權重誤差；n為航線方向相鄰像控點的間隔基線數(shù)；b為像片基線長度。

通過公式(1)(2)計算，像控點間隔基線數(shù)為15條，考慮到GPS輔助航攝區(qū)域網布點可適當放寬，故像控點間隔基線數(shù)不大于20條。旁向相鄰平面控制點的航線跨度為4～5條。在測區(qū)布設16個像控點。

無人機航攝按照比例尺為1∶500的技術要求實施，即地面平均分辨率為4cm，根據(jù)搭載的相機參數(shù)，確定相對航高為300m。航向重疊度為75%，旁向重疊度為65%，航飛情況如圖1所示。

當我們悉心傾聽一個人的幽幽訴說，當我們沉醉于慷慨激昂的演講，當我們傾訴自己真實的心靈，當我們復述一個幽默的故事，當我們聚在一起夸夸其談一個觀點，當我們描述一個人的形象，當我們索要今天的晚報，當我們隨意看到一個新穎的廣告或標語，當我們醉心于時尚雜志的動聽詞匯，這些都離不開語文。

圖1 航飛示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將無人機航飛獲得的影像數(shù)據(jù)、POS、像控點坐標和相機文件導入到Pix4D Mapper軟件中進行空三加密和成果輸出。

絕對定向后，在EPS繪圖軟件中檢查，實地測量平面檢查點5個，平面中誤差為0.07m，實地測量高程檢查點65個，高程中誤差為0.08m。滿足規(guī)范要求。檢查點誤差分布如圖2所示。從圖2可以看出，誤差分布符合正態(tài)分布規(guī)律，無粗差存在。

圖2 檢查點誤差分布

無人機航測數(shù)據(jù)處理完成后，可得到正射影像(DOM)和點云數(shù)據(jù)(.las格式)。考慮到Civil 3D軟件不支持.las格式點云，故需將點云格式轉換為可讀取的.txt格式[5]。為實現(xiàn)格式的轉換，筆者在matlab軟件中編寫了轉換程序，實現(xiàn)了.las格式到.txt格式的大數(shù)據(jù)批量轉換。

將無人機航測生成的正射影(DOM)映射至地表模型(本文為點云數(shù)據(jù))，合成真實的三維地表模型[6]。測區(qū)的三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型

由于該模型具有表示地形的點云數(shù)據(jù)(點密度可達5～10cm)和正射影像的紋理信息，可將該模型直接導入到BIM軟件中進行正向設計和工程量計算。

3 BIM正向設計

無人機航測技術獲取三維地形數(shù)據(jù)(正射影像、點云)可直接導入BIM軟件中進行設計，不再需要CAD地形圖。對于該工程，主要設計內容包括山體整形設計、道路設計、景觀設計、滅火防復燃工程等，其中山體整形設計和道路設計在Civil 3D軟件中進行，景觀設計在Infraworks軟件中進行，滅火防復燃工藝動畫在lumion軟件中制作。

3.1 山體整形設計

治理區(qū)域西側和南側為自然堆放而成的高邊坡，最高處達40m，治理區(qū)域頂部地勢相對平緩，為保證邊坡的穩(wěn)定、減小土方工程量，故在治理區(qū)西側和南側布置為多級邊坡；在治理區(qū)頂部平整為一個大平臺，平臺坡度0.5%～5%。

在Civil 3D中，三維地形被稱為曲面[7]，是由點云構建的不規(guī)則三角網(TIN)[8]。利用三角網建立DTM模型計算土方量方法最優(yōu)[9](在Civil 3D中稱為曲面法)。

將點云、正射影像導入到Civil 3D中，建立原始地形曲面。應用Civil 3D軟件中的放坡工具進行多級邊坡的參數(shù)化設計，采用要素線和曲面填充工具進行頂部平臺的整形，最終合并為設計曲面。利用體積計算工具(曲面法)，計算原始地形曲面和設計曲面之間的填挖方量，并以之為參考，進行邊坡的參數(shù)調整，使設計曲面的填挖方達到平衡。設計曲面邊緣與原始地形曲面相接處采用自動放坡工具，進行自動化放坡。設計地表曲面如圖4所示。

圖4 設計地表曲面

建立了設計曲面，可采用曲面法快速而準確地計算填挖方量、所需黃土量等工程量。

3.2 道路設計

治理區(qū)南側為某聯(lián)絡道路，考慮到頂部平臺與該道路高差達到約40m，根據(jù)航測三維地形，治理區(qū)域西側地勢較緩，故道路主線從西側與該聯(lián)絡道路相連，終點位于排矸場頂部平臺；道路環(huán)線橫跨排矸場頂部平臺；兩條支線位于平臺中部，南北走向，貫通環(huán)線內部。道路采用場外輔助道路標準，設計速度15km/h，寬6.0m。

采用導線法在Civil 3D創(chuàng)建道路中線，根據(jù)設計曲面創(chuàng)建道路中線縱斷面，進行道路縱斷面設計；創(chuàng)建標準橫斷面，進行橫斷面設計；創(chuàng)建道路模型，生成道路曲面，如圖5所示。道路模型生成后可進行土方計算與平衡、駕駛模擬、視距分析等應用，用以輔助設計。

圖5 道路設計

3.3 景觀設計

治理區(qū)位于朔州市，環(huán)境較為惡劣，優(yōu)先選擇耐貧瘠的肥料樹種，并兼顧喬、灌、草植物品種的合理選擇。本次設計在西側及南側邊坡主要栽植常綠樹種小油松；平臺植被恢復以生態(tài)修復為主，間隔種植衛(wèi)矛球、油松；后期依靠鄉(xiāng)土植物入侵，形成草、灌、喬組成的植物群落。

在Civil 3D完成山體整形設計和道路設計后，可將模型信息以.imx格式無損導入Infraworks軟件中[10]，并將正射影像根據(jù)相應坐標系映射至模型。Infraworks軟件中提供了常用的樹種，可直接根據(jù)設計密度進行模型栽種，精確統(tǒng)計植被數(shù)量。設計成果如圖6所示。

圖6 設計成果

3.4 滅火防復燃工程

本次滅火防復燃工程采用挖除滅火、田字形開溝注漿封閉滅火、山體結合部灌漿封閉、風道灌漿封閉、平臺全封閉、坡面全封閉等綜合治理措施，確保滅火防復燃效果。

由于排矸場火情的復雜性以及治理措施結合使用，使得煤矸石山滅火防復燃工藝較為復雜，為保證施工單位能清楚明了地掌握，制作了滅火防復燃施工工藝動畫。

將BIM模型以.fbx格式導入lumion軟件中，進行模型渲染和動畫的制作。

圖7 田字形開溝注漿封閉滅火工藝流程

3.5 實際應用效果

煤矸石山治理前現(xiàn)場存在多處著火點，煤矸石自燃不斷產生有害氣體，治理區(qū)絕大部分植被均已枯死，生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞。

圖8 治理前現(xiàn)場照片

根據(jù)現(xiàn)場情況，應用無人機航測技術和BIM技術，高效完成了BIM正向設計及滅火防復燃工藝動畫制作，使復雜的施工工藝變得清楚易懂。

圖9 BIM設計模型

根據(jù)治理后火情監(jiān)測結果，著火點均已撲滅，無復燃情況，植被成活率達到了95%以上，生態(tài)環(huán)境得到了根本改變。

圖10 治理后現(xiàn)場照片

4 結 論

1)與傳統(tǒng)測圖相比，在煤矸石山治理設計中應用無人機航測技術，測圖效率提高了約60%；航測獲取的三維地形數(shù)據(jù)可直接應用于BIM設計，代替了CAD地形圖，實現(xiàn)了測繪、設計的全三維化。

2)在煤矸石山治理項目中，應用BIM技術進行正向的協(xié)同設計，工程量計算更加準確，設計效率提高了約30%；三維化的設計成果更加直觀，根據(jù)BIM模型制作的滅火防復燃工藝動畫，對現(xiàn)場施工起到了重要的指導作用。

3)在煤矸石山治理設計方面，本文探索了“無人機航測+BIM設計”的工作模式，具有極強的可復制性。