一种崩解岩预留保护层开挖方法与流程

1.本发明涉及崩解岩开挖施工技术领域，具体是一种崩解岩预留保护层开挖方法。


背景技术：

2.sl631-2012《水利水电单元工程施工质量验收评定标准土石方工程》中规定：软基和土质岸坡开挖时应对易风化、易崩解的岩石和土层进行保护，开挖后不能及时回填者，应留保护层，保护层开挖方式宜使用小型机具或人工挖除，不应扰动建基面以下的原地基，长或宽不大于10m范围内允许偏差为-10cm～20cm。
3.现行技术方案中均采用人工对预留保护层逐层用镐、锹进行挖掘，遇坚硬土层由锤、钎或辅以机械破碎，开挖面存在凹凸不平、施工工效低下等问题，超挖量难以控制且对建基面以下的原地基扰动也难以避免，满足现行规范标准难度大。


技术实现要素：

4.本发明公开的目的是提供一种崩解岩预留保护层开挖方法。
5.实现本发明目的的技术方案如下：
6.一种崩解岩预留保护层开挖方法，包括步骤：
7.将设计开挖图纸坐标及开挖轮廓线按照施工区域内控制点坐标转换成可用于施工放样坐标点位数据；
8.将施工放样坐标点位数据与待作业区域控制点进行比对，得到待作业区域范围控制点；
9.根据待作业区域范围控制点布置无人机航线，采用低空无人机航空摄影，采集原始地形影像；
10.将全部无人机采集的原始地形影像纳入到同一个坐标系，生成点云数据；筛选和修剪开挖轮廓线外的点云数据；
11.降低开挖轮廓线内的点云数据密度后，调整高差色域数值，标记不符合规范要求区域即待铣刨作业区域，得到待铣刨作业区域的点云数据；
12.将待铣刨作业区域的点云数据与铣刨机的机载gps坐标，以及铣刨机刀头上方的激光引导传感器的坐标，叠加到同一坐标系，生成带有开挖尺寸的三维地形图；
13.将三维地形图传送至铣刨机的机载显示端；
14.铣刨机的操作手根据三维地形图指引开展铣刨作业。
15.进一步的，所述铣刨机刀头上方的激光引导传感器，包括激光发射器、接收器及终端显示器，并以发射器的角度、深度作为铣刨刀板姿态、铣刨深度信息；铣刨机的操作手还根据铣刨刀板姿态、铣刨深度信息引导开展铣刨作业。
16.优选的，所述调整高差色域数值，标记不符合规范要求区域即待铣刨作业区域，得到待铣刨作业区域的点云数据，具体为：把符合规范要求的区域即不需铣刨作业区域标记为绿色，把不符合规范要求区域即待铣刨作业区域标记为红色；将不需铣刨作业区域的点
云数据屏蔽，获取待铣刨作业区域的点云数据。
17.优选的，所述布置无人机航线，具体为：倾斜摄影航线设计采取旁向重叠度60％，航向重叠度90％，并使倾斜摄影模型精度为同工程正射分辨率的2-5倍，并使相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。
18.优选的，所述生成点云数据，具体为：使用pix4dmapper处理软件，根据原始地形影像生成三维模型及派生数据，包括：
19.a、进行数据检查：检查实际影像重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度，摄取覆盖范围、影像的清晰度、像点位移，当检查内容不满足内业规范和作业任务要求，则根据实际情况重新拟定飞行计划对局部区域补飞或重飞；
20.b、进行空三加密：采用光束法区域网联合平差的方法，将控制点坐标数据和像片的pos姿态数据作为外方位元素的初始值进行联合平差；
21.c、基于原始影像及空三成果，建立三维模型，进行高程数据标识；
22.所述派生数据包括：数字正射影像(dom)、含数字高程模型(dem)的数字表面模型(dsm)和数字点云。
23.本发明能实现精准、高效的崩解岩预留保护层开挖，解决开挖面凹凸不平、施工工效低下问题，避免超挖量难以控制且对建基面以下的原地基扰动，满足现行规范标准。
附图说明
24.图1为本发明的流程图；
25.图2为本发明实施例的一种崩解岩预留保护层开挖方法的流程示意图；
26.图3是本发明实施例的无人机航线布置设定示意图；
27.图4是本发明实施的现场控制点检查示意图；
28.图5是本发明实施例的数据分析处理示意图；
29.图6是本发明实施例的现场作业示意图；
30.图7是本发明实施例的施工效果示意图；
31.图8是本发明实施例的人工测量复核示意图；
32.图9是本发明实施例的基础面联合验收示意图。
具体实施方式
33.现在将详细提及本发明的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。
34.当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.本发明从减弱开挖机械设备对岩体造成微裂、疏松面等目的出发，引进主要用于道路养护翻修作业的铣刨机进行崩解岩基础保护层开挖，利用无人机倾斜摄影测量技术，通过对开挖面不同的角度进行数据的采集，经分析后，将导出数据实时传输给铣刨机操作手，为精准、高效控制崩解岩保护层开挖提供参考，以解决崩解岩区域基础预留保护层开挖施工效率低下、不平整度、超欠挖不易控制的问题。
36.本发明的流程如图1所示，包括主要步骤：
37.1、将设计开挖图纸坐标及开挖轮廓线按照施工区域内控制点坐标转换成可用于施工放样坐标点位数据并记录，将施工放样坐标点位与待作业区域控制点进行比对、复核；
38.2、根据待作业区域范围控制点进行无人机航线布置，对待施工区域原始地形采用无人机进行三维影像数据采集，同时建立局域网络，以便数据传输；
39.3、在铣刨机安装gps车载移动终端，并在铣刨机刀头上方安装激光引导传感器，传感器由激光发射器、接收器及终端显示器构成，以发射器设置的角度及深度为基准，便于操作手实时准确地获知铣刨刀板姿态和铣刨深度等信息，开始作业前对铣刨机机载gps坐标进行设置，安装铣刨刀口激光引导传感器，进一步将传感器坐标、机载gps端口数据、施工区域原始地形导入至同一坐标体系内为后续作业提供基础。
40.4、对待铣刨作业区域外(无效)点云数据进行筛选、修剪、分类，降低点云数据密度，把原本密集的(10cm及以内2-3个点)点云数据密度降低至每50cm/点；
41.5、将处理后的点云数据进行高差色域数值的调整，经与设计开挖轮廓线比对后把符合设计及规范要求的位置标记为绿色，不符合设计及规范要求的位置标记为红色，进一步将合格部分点云数据进行屏蔽，导出gps格式数据；
42.6、将处理后的点云数据同铣刨机端口数据再次叠加至同一坐标体系内，生成带有开挖尺寸的三维地形图，通过建立的局域网络传输至铣刨机操作室显示终端，引导操作手手动或自动控制铣刨刀板，从而做到对铣刨刀板位置姿态进行实时的三维自动控制。
43.实施例
44.本发明的具体实施例，流程如图2所示。
45.s1：无人机航线布置：倾斜摄影航线设计采取旁向重叠度60％，航向重叠度90％，并使倾斜摄影模型精度为同工程正射分辨率的2-5倍，并使相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。其中，影像的重叠度的设置是无人机航线布置的关键所在，倾斜摄影的模型精度一般是照片分辨率的三倍，即根据照片生成的正射影像的地面分辨率的三倍，如果生成的正射影像的分辨率是2cm/像素，那模型精度基本就是5～10cm。
46.s2：地形影像采集：在测区四周及内部布设并采集多个控制点的坐标，形成控制网，然后利用实景三维获取系统，采用“低空无人机航空摄影”的方式获取测区范围内的原始像片，结合地面像控测量成果，通过处理软件进行空三加密，得到每张像片的外方位元素；将全部航测数据都纳入到了同一个坐标系统，根据摄影测量数据分别生成数字正射影像(dom)、数字高程模型(dem)、数字表面模型(dsm)；其中，控制网的设置可以使模型精度更高，满足要求；将全部航测数据都纳入到了同一个坐标系统，可以提高测量精度，且方便数据对比。
47.s3：影像数据分析、处理：根据步骤2采集的地形影像数据生成三维模型及派生数据。
48.s4：建立专用局域网络，在专用局域网络中建立涵盖技术、质量、测量、施工、操作手在内的交流群，所述交流群用于将采集、分析出的数据通过三维图形的方式实时更新、上传；
49.s5：铣刨作业；
50.s6：清理浮土、人工测量复核。
51.步骤s1前还包括：步骤施工准备：在开挖区域边缘留设一进一出环向施工通道，采用白灰在环向施工通道中洒设方格网，将无人机前、后、左、右及下方垂直角度搭载的5个镜头相机的倾角调整为30
°
～60
°
，将侧视的镜头相机的焦距调整为下视镜头相机的焦距的1.1～1.8倍,其中，环向施工通道设置便于铣刨机及土石方装运设备通行；洒设方格网可以为铣刨机运行提供指引，防止出现漏铣情况。
52.无人机前、后、左、右及下方垂直角度搭载的5个镜头相机的倾角具体旋转为45
°
，侧视的镜头相机的焦距具体选择为下视镜头相机的焦距的1.4倍，可以有效降低无人机飞行期间故障率。
53.步骤s1中，采用djigspro地面站专业版进行倾斜摄影航线设计。
54.步骤s3中，使用pix4dmapper处理软件根据步骤2采集的地形影像数据生成三维模型及派生数据；派生数据包括：dom、含dem的dsm、数字点云。
55.步骤s3中生成三维模型及派生数据的具体过程为：
56.a、进行数据检查：检查实际影像重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度，摄取覆盖范围、影像的清晰度、像点位移，当检查内容不满足内业规范和作业任务要求，则根据实际情况重新拟定飞行计划对局部区域补飞或重飞；
57.b、进行空三加密：采用光束法区域网联合平差的方法，将控制点坐标数据和像片的pos姿态数据作为外方位元素的初始值进行联合平差；
58.c、基于原始影像及空三成果，建立三维模型，进行高程数据标识。
59.步骤s4中，利用手机与平板电脑建立专用局域网络；所述交流群具体可采用微信群或qq群或钉钉群。
60.步骤s5:铣刨作业的具体方式为：摆正铣刨机位置，调整好铣刨机的出料口高度和角度至未铣刨区域，将自卸汽车停放在待铣刨区域、铣刨机正前方等待接收铣刨料；启动铣刨机，根据步骤3中生成的三维模型及派生数据调整好铣刨深度，进行铣刨操作，铣刨过程中，自卸汽车与启动铣刨机保持一定距离同步沿着环向施工通道移动。
61.步骤s6：清理浮土、人工测量复核的具体方式为：在开挖完成后，采用全站仪对开挖面进行全面检测，监测点采用横断面控制，当断面间距在0m-5m范围内或各断面点数间距在0m-2m范围内时，判定为合格，进行验收评定，当断面间距不在0m-5m范围内或各断面点数间距不在0m-2m范围内时，判定为不合格，进行补充飞行，然后依次执行步骤s3：影响数据分析、处理、步骤s4：铣刨作业、返工、步骤s5：清理浮土、人工测量复核，重复循环直至判定为合格。
62.本实施例中，dom、dem、dsm数据集中由数字点云经筛选处理后拓展在三维模型中用以指引铣刨机手操作铣刨作业。主要按照四步操作：1、对待铣刨作业区域外(无效)点云数据进行筛选、修剪、分类；2、降低点云数据密度，把原本密集的(10cm及以内2-3个点)点云数据密度降低至每50cm/点；3、进一步将处理后的点云数据进行高差色域数值的调整，把符
合规范要求的位置标记为绿色，不符合规范要求的位置标记为红色，进一步将合格部分点云数据进行屏蔽，获取不合格区域点云数据会同机身安装的gps定位器坐标及高程数据进行叠加处理并导出gps格式数据，最后将gps格式数据导入铣刨机机载显示端；4、铣刨机安装gps车载移动终端，并在铣刨机刀头上方安装激光引导传感器，传感器由激光发射器、接收器及终端显示器构成，以发射器设置的角度及深度为基准，便于操作手实时准确地获知铣刨刀板姿态和铣刨深度等信息，引导操作手手动或自动控制铣刨刀板，从而做到对铣刨刀板位置姿态进行实时的三维自动控制。
63.参照图3～图9，具体实施的过程如下：
64.进行施工准备：在开挖区域边缘留设一进一出环向施工通道，采用白灰在环向施工通道中洒设5.0
×
5.0m方格网，将无人机前、后、左、右及下方垂直角度搭载的5个镜头相机的倾角调整为45
°
，将侧视的镜头相机的焦距调整为下视镜头相机的焦距的1.4倍；
65.布置无人机航线：采用采用djigspro地面站专业版进行倾斜摄影航线设计，倾斜摄影航线设计采取旁向重叠度60％，航向重叠度90％，并使倾斜摄影模型精度为同工程正射分辨率的三倍，并使相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系；
66.采集地形影像：在测区四周及内部布设并采集多个控制点的坐标，形成控制网，然后利用实景三维获取系统，采用“低空无人机航空摄影”的方式获取测区范围内的原始像片，结合地面像控测量成果，通过处理软件进行空三加密，得到每张像片的外方位元素；其中，无人机的飞行高度为40m，飞行速度为5m/s；将全部航测数据都纳入到了同一个坐标系统，根据摄影测量数据分别生成数字正射影像(dom)、数字高程模型(dem)、数字表面模型(dsm)；
67.进行影像数据分析、处理：使用pix4dmapper处理软件根据采集的地形影像数据生成三维模型及派生数据(dom、含dem的dsm、数字点云等)，先进行数据检查：检查实际影像重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度，摄取覆盖范围、影像的清晰度、像点位移，当检查内容不满足内业规范和作业任务要求，则根据实际情况重新拟定飞行计划对局部区域补飞或重飞；再进行空三加密：采用光束法区域网联合平差的方法，将控制点坐标数据和像片的pos姿态数据作为外方位元素的初始值进行联合平差；再基于原始影像及空三成果，建立三维模型，进行高程数据标识；
68.利用手机与平板电脑建立专用局域网络，在专用局域网络中建立涵盖技术、质量、测量、施工、操作手在内的微信群，所述微信群用于将采集、分析出的数据通过三维图形的方式实时更新、上传；
69.进行铣刨作业，在进行影响数据分析到同时，将铣刨机开到环向施工通道进口端，摆正铣刨机位置，调整好铣刨机的出料口高度和角度至未铣刨区域，将自卸汽车停放在待铣刨区域、铣刨机正前方等待接收铣刨料；启动铣刨机，根据生成的三维模型及派生数据调整好铣刨深度，进行铣刨操作，铣刨过程中，自卸汽车与启动铣刨机保持一定距离同步沿着环向施工通道移动。
70.清理浮土、人工测量复核，在开挖完成后，采用全站仪对开挖面进行全面检测，监测点采用横断面控制，当断面间距在0m-5m范围内或各断面点数间距在0m-2m范围内时，判定为合格，进行验收评定，当断面间距不在0m-5m范围内或各断面点数间距不在0m-2m范围内时，判定为不合格，进行补充飞行，然后依次执行影响数据分析、处理、铣刨作业、返工、清
理浮土、人工测量复核，重复循环直至判定为合格。
71.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种崩解岩预留保护层开挖方法，其特征在于，包括步骤：将设计开挖图纸坐标及开挖轮廓线按照施工区域内控制点坐标转换成可用于施工放样坐标点位数据；将施工放样坐标点位数据与待作业区域控制点进行比对，得到待作业区域范围控制点；根据待作业区域范围控制点布置无人机航线，采用低空无人机航空摄影，采集原始地形影像；将全部无人机采集的原始地形影像纳入到同一个坐标系，生成点云数据；筛选和修剪开挖轮廓线外的点云数据；降低开挖轮廓线内的点云数据密度后，调整高差色域数值，标记不符合规范要求区域即待铣刨作业区域，得到待铣刨作业区域的点云数据；将待铣刨作业区域的点云数据与铣刨机的机载gps坐标，以及铣刨机刀头上方的激光引导传感器的坐标，叠加到同一坐标系，生成带有开挖尺寸的三维地形图；将三维地形图传送至铣刨机的机载显示端；铣刨机的操作手根据三维地形图指引开展铣刨作业。2.如权利要求1所述的一种崩解岩预留保护层开挖方法，其特征在于，所述铣刨机刀头上方的激光引导传感器，包括激光发射器、接收器及终端显示器，并以发射器的角度、深度作为铣刨刀板姿态、铣刨深度信息；铣刨机的操作手还根据铣刨刀板姿态、铣刨深度信息引导开展铣刨作业。3.如权利要求1所述的一种崩解岩预留保护层开挖方法，其特征在于，所述调整高差色域数值，标记不符合规范要求区域即待铣刨作业区域，得到待铣刨作业区域的点云数据，具体为：把符合规范要求的区域即不需铣刨作业区域标记为绿色，把不符合规范要求区域即待铣刨作业区域标记为红色；将不需铣刨作业区域的点云数据屏蔽，获取待铣刨作业区域的点云数据。4.如权利要求1所述的一种崩解岩预留保护层开挖方法，其特征在于，所述布置无人机航线，具体为：倾斜摄影航线设计采取旁向重叠度60％，航向重叠度90％，并使倾斜摄影模型精度为同工程正射分辨率的2-5倍，并使相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。5.如权利要求1所述的一种崩解岩预留保护层开挖方法，其特征在于，所述生成点云数据，具体为：使用pix4dmapper处理软件，根据原始地形影像生成三维模型及派生数据，包括：a、进行数据检查：检查实际影像重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度，摄取覆盖范围、影像的清晰度、像点位移，当检查内容不满足内业规范和作业任务要求，则根据实际情况重新拟定飞行计划对局部区域补飞或重飞；b、进行空三加密：采用光束法区域网联合平差的方法，将控制点坐标数据和像片的pos姿态数据作为外方位元素的初始值进行联合平差；c、基于原始影像及空三成果，建立三维模型，进行高程数据标识；所述派生数据包括：数字正射影像(dom)、含数字高程模型(dem)的数字表面模型(dsm)和数字点云。

技术总结
一种崩解岩预留保护层开挖方法，主要包括：根据待作业区域范围控制点布置无人机航线，采用低空无人机航空摄影，采集原始地形影像；生成点云数据；标记不符合规范要求区域即待铣刨作业区域，得到待铣刨作业区域的点云数据；将待铣刨作业区域的点云数据与铣刨机的机载GPS坐标，以及铣刨机刀头上方的激光引导传感器的坐标，叠加到同一坐标系，生成带有开挖尺寸的三维地形图；将三维地形图传送至铣刨机的机载显示端；铣刨机的操作手根据三维地形图指引开展铣刨作业。本发明能实现精准、高效的崩解岩预留保护层开挖，解决开挖面凹凸不平、施工工效低下问题，避免超挖量难以控制且对建基面以下的原地基扰动，满足现行规范标准。满足现行规范标准。满足现行规范标准。


技术研发人员：康路明 阮佳磊 韩兴 熊亮 胡天祥 梁国明 郑新愿 田颖娜 喻常华 梁恒华 迪科庆 苗传雨 张龙 黄勇 付小波
受保护的技术使用者：中国水利水电第五工程局有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/5