基于GIS技術(shù)的水電網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)

楊靜亞

(廣東韶關(guān)凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關(guān)市 512325)

0 前 言

近些年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，紙質(zhì)版地圖和文本資料已不能滿足生產(chǎn)的要求，因此，電子地圖在日常工作和生活得到了廣泛的應(yīng)用。凡口鉛鋅礦建礦至今已有六十多年，目前尚未有礦區(qū)電子地圖，對(duì)于一些重要地理和水文資料、水管網(wǎng)線路及供電線路以及設(shè)備設(shè)施信息，長期都依靠員工的口口相傳和檔案記錄，水管網(wǎng)線路及供電線路以圖紙形式保存，在供電線路維護(hù)及管路維護(hù)依照?qǐng)D紙巡檢，形式抽象且需要很長時(shí)間熟悉，隨著部分員工的退休和部分檔案的遺失，一些重要參數(shù)和設(shè)備情況也變得不得而知。所以，在礦區(qū)推廣電子地圖并將其應(yīng)用到各個(gè)生產(chǎn)單位，對(duì)重要信息記錄、存檔、展示越發(fā)重要。

為了獲得凡口地區(qū)的高精度 2D 地圖，決定采用無人機(jī)航拍、測(cè)繪等手段獲得原始資料，并基于GIS技術(shù)進(jìn)行圖像和數(shù)據(jù)處理，將水電線路標(biāo)注到電子地圖上，形成擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)和版權(quán)的電子地圖，建設(shè)水電網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)，并將電子地圖推廣至各地面生產(chǎn)單位，根據(jù)各單位的實(shí)際情況加以運(yùn)用。

1 無人機(jī)測(cè)繪

傳統(tǒng)的地形測(cè)繪是采用大飛機(jī)搭載攝像機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)，大飛機(jī)對(duì)起降場要求嚴(yán)格，需要報(bào)批空管，手續(xù)復(fù)雜。而且受飛行安全和拍攝能見度的限制，對(duì)天氣的依賴度很高，對(duì)于部分復(fù)雜的環(huán)境無法勝任。無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查以及廣告攝影等領(lǐng)域，有著廣闊的市場需求。但是將無人機(jī)測(cè)繪獲得的電子地圖與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合是比較新的研究領(lǐng)域。

無人機(jī)測(cè)繪是遙感領(lǐng)域用于地形測(cè)繪的新興技術(shù)，它機(jī)身小巧、結(jié)構(gòu)簡單，地面站規(guī)劃航線自主飛行拍攝，可靈活應(yīng)對(duì)整個(gè)航攝工作，飛行系統(tǒng)升空準(zhǔn)備時(shí)間短，操作簡單，運(yùn)輸便利。車載系統(tǒng)可迅速到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)附近設(shè)站，可進(jìn)行云下飛行。而且無人機(jī)在 1000 m以下相對(duì)高度飛行，空域申請(qǐng)便利，降低了對(duì)天氣條件的要求。可就地起降，使用成本低，對(duì)復(fù)雜的野外測(cè)繪環(huán)境有很好的適應(yīng)力，可以在陰云天氣攝影。不僅可以完成傳統(tǒng)飛機(jī)的航攝任務(wù)，而且可以進(jìn)入傳統(tǒng)手段無法覆蓋到的領(lǐng)域。具有高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力，系統(tǒng)可獲取超高分辨率數(shù)字影像和定位數(shù)據(jù)，并可針對(duì)特殊監(jiān)測(cè)目標(biāo)搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，并可進(jìn)行多角度攝影。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)快速處理、應(yīng)用分析以及與其他數(shù)據(jù)源的快速融合處理功能。

2 方案概述

凡口鉛鋅礦電子版地圖的形成分3個(gè)步驟。前期對(duì)礦區(qū)主體部分進(jìn)行航拍和測(cè)繪，中期對(duì)供電線路、供水管路、尾礦管、尾礦庫等進(jìn)行航拍和測(cè)繪，形成 2D 版地圖后期對(duì)電子地圖進(jìn)行高分辨率重建、瑕疵修復(fù)及水電管網(wǎng)和線路標(biāo)注。精度范圍達(dá)到0.1～0.5 m，滿足 1∶500， 1∶1000， 1∶2000 等成圖要求。本項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)為：第一，在繪制礦區(qū)高分辨率平面地圖時(shí)，需要在此地圖上繪制等高線，同時(shí)為方便水電進(jìn)行管路管理及供電線路維護(hù)，須在此地圖上標(biāo)注水電管網(wǎng)及供電線路。第二，電子地圖支持大屏的形式展現(xiàn)凡口鉛鋅礦礦區(qū)實(shí)際地理位置和布局。第三，電子地圖可詳細(xì)標(biāo)注礦區(qū)供電線路和供水管路的走向及主要設(shè)備設(shè)施的詳細(xì)資料信息，有助于礦區(qū)供電風(fēng)險(xiǎn)及供水風(fēng)險(xiǎn)的管控和資料查詢工作。第四，地圖查看可自由放大和縮小，分辨率最大支持 1∶500。第五，地圖支持分類別查看，如只查看地圖、只查看水管路圖、只查看供電線路圖等。第六，支持地圖打印與電子檔導(dǎo)出。最終實(shí)現(xiàn)此份電子地圖能為礦山水電網(wǎng)管理和主要設(shè)備設(shè)施管理服務(wù)，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本項(xiàng)目采用無人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)，該主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、高分辨率數(shù)碼傳感器、定位與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及影像處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，同時(shí)配合無人機(jī)的運(yùn)輸及操控的便利性，還包括相應(yīng)的地面運(yùn)輸及測(cè)控設(shè)備。圖1是無人機(jī)低空攝影測(cè)量的平臺(tái)框圖，其中地面站可以由電腦代替。

圖1 航拍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)采用賽爾的 FIX-1 固定翼無人機(jī)，主要硬件參數(shù)為電池續(xù)航 55 min，空機(jī)重量 2 kg，可載重 0～2 kg，有效作業(yè)半徑 5 km。技術(shù)方案詳細(xì)內(nèi)容如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，分析凡口礦地圖測(cè)繪要求，如地圖測(cè)繪范圍，等高線精度要求，設(shè)計(jì)電子地圖測(cè)繪方案，并就相關(guān)人員確認(rèn)需求。

(2) 準(zhǔn)備地圖測(cè)繪工作包括地面參考點(diǎn)設(shè)置，根據(jù)天氣定制地圖航拍計(jì)劃。

(3) 圖像數(shù)據(jù)采集與分析，按測(cè)繪航拍計(jì)劃拍攝，收集拍攝圖像時(shí)的飛行參數(shù)，分析飛行參數(shù)及圖像，對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，如校正和去噪，根據(jù)區(qū)域進(jìn)行圖像修剪，完成拼圖任務(wù)。

(4) 繪制等高線，根據(jù)各個(gè)模塊圖片對(duì)應(yīng)的飛行數(shù)據(jù)，繪制等高線，結(jié)合實(shí)際測(cè)繪進(jìn)行數(shù)據(jù)校對(duì)。

(5) 硬件安裝，地圖瀏覽主機(jī)(含顯示器)，網(wǎng)絡(luò)輔件(交換機(jī)，網(wǎng)線)及其它輔件。

(6) 軟件系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試，開發(fā)電子地圖瀏覽軟件，支持放大和縮小，支持局部放大，支持電子地圖線路分類查看，簡單標(biāo)注功能等。

3 存在的問題

在實(shí)際應(yīng)用中，采用無人機(jī)進(jìn)行航拍，形成電子地圖，在效果可以接受的情況下，成本最低。但無人機(jī)測(cè)繪普遍存在著下列幾個(gè)問題需要解決：

(1) 飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，很難控制，飛控子系統(tǒng)是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)，飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備3大部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制3大類。其中，機(jī)身大量裝配的各種傳感器(包括角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等)是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是保證飛機(jī)控制精度的關(guān)鍵，在不同飛行環(huán)境下、不同用途的無人機(jī)對(duì)傳感器的配置要求也不同。因此如何確保飛控系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制及穩(wěn)定控制是問題的關(guān)鍵。

(2) 續(xù)航時(shí)間短，無人機(jī)目前廣泛采用的動(dòng)力裝置為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，但活塞式只適用于低速低空小型無人機(jī)；消費(fèi)級(jí)微型無人機(jī)一般使用電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起飛質(zhì)量不到 100 g、續(xù)航時(shí)間小于 30 min。如何確保無人機(jī)能長時(shí)間續(xù)航，在空中一次完成航拍任務(wù)，確保后期圖像合成質(zhì)量，是難點(diǎn)之一。

(3) 間接地理參考工作量大，航拍后需要根據(jù)航拍數(shù)據(jù)繪制電子地圖等高線，此部分測(cè)繪工作量很大。

(4) 測(cè)繪中高程精度不夠，需布設(shè)太多像控點(diǎn)，在測(cè)繪工作開始前需要在測(cè)繪區(qū)域布設(shè)參考點(diǎn)，工作量較大。

(5) 無法提供像控為 1∶500 的精度，當(dāng)前無人機(jī)測(cè)繪領(lǐng)域很難達(dá)到精度為 1∶500的電子地圖，因此在無人機(jī)飛行高度參數(shù)、相機(jī)分辨率參數(shù)等設(shè)備選型時(shí)需要注意，如何拼出 1∶500 的高精度地圖也是研究重點(diǎn)之一。

(6) 根據(jù)電子地圖、水電車間管網(wǎng)線路圖及供電線路圖，實(shí)地考察，測(cè)繪，在軟件中設(shè)計(jì)管路分布及供電線路分布，此部分測(cè)繪工作量較大。

4 小 結(jié)

標(biāo)注了水電線路的電子地圖不僅僅可以為水電車間日常管理維護(hù)工作提供便利，同時(shí)可通過大屏的形式展現(xiàn)凡口鉛鋅礦實(shí)際地理位置和布局，逐步替代沙盤，更加形象直觀。可詳細(xì)標(biāo)注礦區(qū)土地范圍和采礦區(qū)域范圍，協(xié)助工農(nóng)辦處理周邊農(nóng)村土地糾紛。可詳細(xì)標(biāo)注礦區(qū)重要建筑物(主井、副井、廠房、辦公樓等)和民用建筑，方便建安公司和房產(chǎn)辦的資料管理工作。可詳細(xì)標(biāo)注礦區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)單位重要固定資產(chǎn)及資料文獻(xiàn)，有助于固定資產(chǎn)管理工作。可詳細(xì)標(biāo)注選礦廠尾礦管、泵站及尾礦庫的走向并錄入真實(shí)數(shù)據(jù)，有助于公司對(duì)其安全管控和資料查詢。可詳細(xì)標(biāo)注礦區(qū)供電線路和供水管路的走向及設(shè)備設(shè)施的詳細(xì)資料信息，有助于礦區(qū)供電風(fēng)險(xiǎn)及供水風(fēng)險(xiǎn)的管控和資料查詢工作。可詳細(xì)標(biāo)注歷年來礦區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)和水文信息，有助于礦區(qū)探礦找礦和防洪防汛工作。電子地圖形成之后，可將其推廣到各個(gè)生產(chǎn)單位，并根據(jù)各單位實(shí)際情況靈活應(yīng)用，完善其具體職能工作，助力于礦區(qū)安全生產(chǎn)。