谷歌地球在煤礦地質(zhì)測(cè)量工作中的應(yīng)用

薛雄飛，張博龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

礦井野外地質(zhì)調(diào)查工作，作為礦井設(shè)計(jì)、建設(shè)、開(kāi)采、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素普查、地表沉降觀測(cè)、水土保持和采空區(qū)治理等的重要基礎(chǔ)，對(duì)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。一般情況下，礦井野外地質(zhì)測(cè)量調(diào)查工作大都采用GIS、GPS 和RTK進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方式來(lái)獲取數(shù)據(jù)，然后在室內(nèi)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析[3-6]，從而達(dá)到野外調(diào)查的目的，但是這種觀測(cè)方法受地形、天氣和人員等因素的影響容易產(chǎn)生較大誤差[7-9]。為此，通過(guò)谷歌地球(Google Earth)和Global Mapper軟件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和偏移校準(zhǔn)，以期在足不出戶的情況下，輕松獲取野外目標(biāo)地物的位置信息，提高工作效率。

1 傳統(tǒng)野外調(diào)查方法的局限性

傳統(tǒng)情況下，礦井野外地測(cè)調(diào)查的主要方式以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主，其主要工作流程大致可以分為選定測(cè)量目標(biāo)地物、利用手持GPS或RTK進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和整理，并導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)、將整理好的數(shù)據(jù)填繪到圖紙上、提交測(cè)量成果。傳統(tǒng)的調(diào)查方法必須以野外實(shí)地采集數(shù)據(jù)為前提，對(duì)人員、設(shè)備、車(chē)輛、地形條件和安全狀況的要求較高，主要特點(diǎn)有外業(yè)工作量大、受地形和氣候條件影響、需要占用人員和車(chē)輛、工作效率低等缺點(diǎn)。因此，為提高地測(cè)野外調(diào)查工作的效率，減小人力、物力和財(cái)力等方面不必要的支出，有必要針對(duì)礦井井田地物調(diào)查的特點(diǎn)，研究提出更加便捷和高效的技術(shù)方案。

2 方案介紹

2.1 軟件介紹

谷歌地球(Google Earth)是一款谷歌公司開(kāi)發(fā)的虛擬地球軟件，它把高清衛(wèi)星照片、航空照相和WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)緊密布置在一個(gè)地球的三維模型上，只要打開(kāi)電腦客戶端就可以瀏覽全球任何地方的高清衛(wèi)星圖片，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物面積、長(zhǎng)度、高度、角度、方位角等參數(shù)的測(cè)量和標(biāo)定以及經(jīng)緯度坐標(biāo)的導(dǎo)入和導(dǎo)出衛(wèi)星圖片的打印和輸出等功能。

谷歌地球(Google Earth)上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，通常為30 m(例如中國(guó)大陸)，在分辨率為30 m的情況下，測(cè)量精度基本可以滿足日常的野外調(diào)查要求[10-14]。

2.2 方法介紹

研究項(xiàng)目以谷歌地球(Google Earth)的經(jīng)緯度導(dǎo)入和導(dǎo)出功能為基礎(chǔ)，利用Global Mapper的WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)與Beijing 1954大地坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換。以礦井工業(yè)廣場(chǎng)已知標(biāo)志性地物為基準(zhǔn)，計(jì)算該已知地物的實(shí)際坐標(biāo)與經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換坐標(biāo)之間的偏差值，利用該偏差值校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，最后通過(guò)南方CASS 7.0成圖系統(tǒng)。將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)填繪到礦井采掘工程平面圖和井上下對(duì)照?qǐng)D等圖紙上，從而達(dá)到精準(zhǔn)確定目標(biāo)地物的目的。

2.3 方法優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍

該技術(shù)方案有效地避免了野外實(shí)際調(diào)查中地形、天氣、人員、設(shè)備、車(chē)輛、工作環(huán)境安全狀況等因素對(duì)調(diào)查工作的影響，在足不出戶的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)野外目標(biāo)地物的調(diào)查和填圖工作，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證該調(diào)查手段對(duì)地物測(cè)量的最大誤差不超過(guò)5 m，精度超過(guò)了手持GPS的測(cè)量精度，完全滿足礦井野外調(diào)查的精度要求，可以在礦井、地質(zhì)勘查、林業(yè)、土地資源調(diào)查、環(huán)境治理等其他相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

3 技術(shù)方案

該技術(shù)方案可以調(diào)查的地物目標(biāo)包括井田范圍內(nèi)及周邊的建筑物、廠房、道路、耕地、林地、河流、水庫(kù)、池塘、人工湖等明顯的地物目標(biāo)。下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明該技術(shù)方案的主要操作流程、步驟及結(jié)果驗(yàn)證。

3.1 圈定目標(biāo)物

假設(shè)需要實(shí)測(cè)某公司聯(lián)建樓的具體位置，在不進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的情況下，僅在室內(nèi)完成坐標(biāo)采集，并將結(jié)果填繪在采掘工程平面圖上。以此為任務(wù)，首先打開(kāi)谷歌地球(Google Earth)，利用路徑工具將煤業(yè)公司聯(lián)建樓的主體輪廓描繪出來(lái)，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)地物路徑Fig.1 Path of target surface object

3.2 采集目標(biāo)物經(jīng)緯度

將描繪出聯(lián)建樓的路徑，另存為.KML文件格式，并將其后綴名更改為.TXT，用記事本打開(kāi)后線框中的數(shù)據(jù)即為聯(lián)建樓各拐點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，如圖2所示。

按照第1列經(jīng)度、第2列緯度和第3列點(diǎn)號(hào)的格式，將經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行匯總和整理，另存為以逗號(hào)分隔的CSV格式文件，并命名為“聯(lián)建樓”備用，如圖3所示。

3.3 經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換

將聯(lián)建樓各拐角的WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為礦井使用的Beijing 1954大地坐標(biāo)。打開(kāi)Global Mapper軟件，將文件名稱(chēng)為“聯(lián)建樓”的CSV文件導(dǎo)入Global Mapper中，投影設(shè)置選擇“地理經(jīng)緯度(Geographic Latitude /Longitude)”，基準(zhǔn)選擇“WGS84”，如圖4所示。

圖3 目標(biāo)物各拐點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)匯總Fig.3 Longitude and latitude data of each inflection point of the target

圖4 經(jīng)緯度導(dǎo)入Fig.4 Longitude and latitude importing graph

聯(lián)建樓拐點(diǎn)導(dǎo)入后，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)物拐點(diǎn)示意Fig.5 Target inflection point

3.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換導(dǎo)出

將導(dǎo)入的經(jīng)緯度坐標(biāo)，按照相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。投影選擇高斯投影(Gauss-Kruger)3度帶，選擇目標(biāo)地區(qū)所在帶號(hào)，即37°帶(109.5E～112.5E)，基準(zhǔn)選擇礦井通用的Beijing 1954大地坐標(biāo)。

圖6 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換設(shè)置Fig.6 Coordinate conversion settings

設(shè)置成功后點(diǎn)擊“確定”，就完成了WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)到Beijing 1954大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，最后按照以下步驟將坐標(biāo)導(dǎo)出，如圖7所示。點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)卡→在下拉菜單中選擇“輸出”選項(xiàng)→在輸出選項(xiàng)的彈出菜單中選擇“輸出矢量格式”命令→選擇輸出文件的格式為CSV格式→保存CSV坐標(biāo)文件，將文件命名為“聯(lián)建樓1954”。

圖7 坐標(biāo)導(dǎo)出設(shè)置Fig.7 Coordinate export settings

3.5 偏移量校正

將文件名為“聯(lián)建樓1954”的CSV文件，再次導(dǎo)入Global Mapper軟件中，按照以下步驟進(jìn)行操作，如圖8所示。

圖8 坐標(biāo)保存設(shè)置Fig.8 Coordinate save settings

(1)點(diǎn)擊“選擇坐標(biāo)偏移/比例”選項(xiàng)。

(2)設(shè)置X、Y坐標(biāo)的偏移量分別為-20.8和18.7(該偏移量為利用控制點(diǎn)計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)值)，點(diǎn)擊確定導(dǎo)入偏移量。

(3)重復(fù)上一節(jié)的導(dǎo)出步驟，并將導(dǎo)出文件命名為“聯(lián)建樓1954轉(zhuǎn)換”。

轉(zhuǎn)換完成后得到的名稱(chēng)為“聯(lián)建樓1954轉(zhuǎn)換”的CSV文件中包含的坐標(biāo)，即為采掘工程平面圖和井上下對(duì)照?qǐng)D使用的Beijing 1954坐標(biāo)，如圖9所示。

圖9 目標(biāo)物拐點(diǎn)坐標(biāo)匯總Fig.9 Summary of target inflection point coordinates

3.6 精度驗(yàn)證

將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)進(jìn)行編輯，生成名稱(chēng)為“聯(lián)建樓1954轉(zhuǎn)換”的DAT坐標(biāo)文件，利用南方CASS 7.0打開(kāi)采掘工程平面圖或井上下對(duì)照?qǐng)D，然后將該DAT文件導(dǎo)入采掘工程平面圖，效果如圖10所示。

圖10 目標(biāo)物拐點(diǎn)坐標(biāo)位置驗(yàn)證Fig.10 Verification of target inflection point coordinate position

可以看出，通過(guò)谷歌地球(Google Earth)在圖上采集煤業(yè)公司聯(lián)建樓的經(jīng)緯度，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和偏移處理，填繪到采掘工程平面圖上的位置(黑色)與聯(lián)建樓的實(shí)際位置(灰色)幾乎沒(méi)有偏差，水平誤差和垂直誤差均未超過(guò)2 m，并且超過(guò)了手持GPS的測(cè)量精度、數(shù)據(jù)精度和實(shí)際效果達(dá)到了預(yù)期的效果。因此，該技術(shù)方法可以用于礦井日常野外調(diào)查工作。

4 效益評(píng)價(jià)

4.1.1 經(jīng)濟(jì)效益

該科技項(xiàng)目突破以往傳統(tǒng)上地測(cè)野外調(diào)查工作的方式和方法，引入了一種高效、便捷的調(diào)查方法。與傳統(tǒng)野外調(diào)查手段相比，該手段突破了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)地形、氣候、道路不通和視線受阻等因素的限制，只需打開(kāi)谷歌地球(Google Earth)電腦客戶端，就能完成數(shù)據(jù)的采集、整理和填圖工作。該方法不但精度高，而且在工作效率顯著提高的基礎(chǔ)上，減小了野外調(diào)查工作的人員成本和用車(chē)成本，合理地避免了以往野外調(diào)查工作中存在的效率低、難度大以及地形復(fù)雜區(qū)域人員安全性等問(wèn)題，降低了調(diào)查工作在人力、物力、財(cái)力等方面的投入和支出，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

4.1.2 社會(huì)效益

該方案在較小的投入下，為眾多礦山和地質(zhì)勘探企業(yè)提供了一種低投入、高效率、高精度的地測(cè)野外調(diào)查解決方案，該方案不但可以在陜西有色金屬控股集團(tuán)有限責(zé)任公司內(nèi)部的礦山和地質(zhì)勘探企業(yè)進(jìn)行推廣和使用，也可在地質(zhì)勘查、林業(yè)、土地資源調(diào)查、環(huán)境治理等其他相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用，具有較大的社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)的高精度RTK技術(shù)、井田地物攝影測(cè)量和回采工作面巡檢技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害防治、水文地質(zhì)普查等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，相信今后以谷歌地球?yàn)榛A(chǔ)的野外調(diào)查方法，將極大地提高野外地質(zhì)調(diào)查的精度，讓野外地質(zhì)調(diào)查工作的準(zhǔn)確性、即時(shí)性和便捷性進(jìn)一步提高，應(yīng)用前景廣泛。