車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用的可行性研究

嚴(yán)懷民

（汝箕溝無(wú)煙煤分公司，寧夏 石嘴山 753004）

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用的可行性研究

嚴(yán)懷民

（汝箕溝無(wú)煙煤分公司，寧夏 石嘴山 753004）

集成了全球定位接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描儀、全景相機(jī)、里程計(jì)等傳感器的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，目前已經(jīng)在城市規(guī)劃、道路工程測(cè)繪和大規(guī)模城市建模等方面得到成功應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單介紹車(chē)載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理方法，并結(jié)合露天礦特點(diǎn)，深入分析其在露天礦應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足。

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與處理；露天礦；應(yīng)用

Abstract：Integrated mobile measurement system of mobile GPS receiver,inertial navigation system,3D laser scanner,panoramic camera and odometer sensor has been successfully applied in city planning,road engineering survey and large-scale city modeling. The article briefly introduces the data acquisition and processing methods of vehicle mobile measurement technology,and analyzes the advantages and disadvantages of the technology in the open-pitmine.

Key words:vehiclemounted mobilemeasurement system;data acquisition and processing;open-pitmine;application

0 引言

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷進(jìn)步，礦山測(cè)量人已不滿(mǎn)足于全站儀、人工RTK、地面固定站式三維激光掃描等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的使用。而集成了全球定位接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描儀、全景相機(jī)、里程計(jì)等先進(jìn)傳感器的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)，在城市規(guī)劃、道路工程測(cè)繪和大規(guī)模城市建模等方面得到成功應(yīng)用。通過(guò)介紹移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的測(cè)量原理，結(jié)合露天采場(chǎng)的特點(diǎn)，分析和探討車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與缺陷。

1 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是在汽車(chē)上安裝了高度集成的全球定位接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描儀、全景相機(jī)、里程計(jì)等先進(jìn)傳感器，在汽車(chē)高速移動(dòng)過(guò)程中，快速采集視場(chǎng)范圍內(nèi)所有“看得見(jiàn)”地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，事后經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、軌跡解算、點(diǎn)云解算、點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等步驟，最后形成內(nèi)容豐富的空間信息數(shù)據(jù)[1]。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集原理

1）由衛(wèi)星定位接收機(jī)對(duì)移動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)下的汽車(chē)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)絕對(duì)位置（相當(dāng)于傳統(tǒng)地形圖測(cè)繪前期做的一個(gè)個(gè)“圖根點(diǎn)”）；

2）由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算衛(wèi)星定位接收機(jī)、激光掃描儀、全景相機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息；

3）由激光掃描儀、全景相機(jī)以衛(wèi)星定位接收機(jī)定位的“圖根點(diǎn)”為基準(zhǔn)快速采集視場(chǎng)范圍內(nèi)地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；

4）最后基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得設(shè)備實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，通過(guò)將多種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算獲取空間坐標(biāo)基準(zhǔn)下的高精度地表三維模型測(cè)量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[2]。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

1）軌跡解算：通過(guò)慣導(dǎo)解算軟件處理GNSS數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，獲得平滑的行車(chē)軌跡路線(xiàn)，也就得到了汽車(chē)行進(jìn)過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻激光掃描儀、全景相機(jī)的位置信息和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2）點(diǎn)云解算：通過(guò)點(diǎn)云解算軟件將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與高精度的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，給每一個(gè)點(diǎn)賦予準(zhǔn)確的位置信息，并完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常點(diǎn)去除、濾波、點(diǎn)云分類(lèi)、點(diǎn)云裁剪、合并、數(shù)據(jù)分塊等工作。

3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)：通過(guò)點(diǎn)云影像配準(zhǔn)軟件完成激光點(diǎn)云及全景影像數(shù)據(jù)的空間配準(zhǔn)，同時(shí)完成對(duì)空間點(diǎn)、線(xiàn)、面要素的量測(cè)和保存。

4）點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用：經(jīng)過(guò)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，通過(guò)成圖軟件可以完成日常礦圖的繪制、通過(guò)土石方計(jì)算軟件可以完成剝離工程量的計(jì)算、通過(guò)三維建模軟件可以完成露天礦去三維建模等工作。

2 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用的可行性

移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今測(cè)繪界最為前沿的科技之一，代表著未來(lái)電子地圖測(cè)制領(lǐng)域的發(fā)展主流。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)保留了固定站式三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了三維激光掃描移動(dòng)式的測(cè)量，彌補(bǔ)了固定站式三維激光掃描測(cè)量的不足，大大提高了作業(yè)效率。結(jié)合露天采場(chǎng)的特點(diǎn)，分別從測(cè)量精度、工作效率、測(cè)量過(guò)程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)等方面來(lái)研究車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用的可行性。

目前，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)有效測(cè)程可達(dá)1 km以上，在有效測(cè)程內(nèi)其數(shù)據(jù)采集的精度優(yōu)于5 cm，符合1∶500地形圖成圖精度要求，完全滿(mǎn)足露天礦日常測(cè)量需要。

2.1 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)

1）采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)全、密度高、無(wú)遺漏，大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)采場(chǎng)實(shí)際反映的精細(xì)化程度。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用毫米級(jí)分辨率的三維激光掃描儀和3 000萬(wàn)以上像素的全景相機(jī)分別進(jìn)行空間位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)和屬性影像數(shù)據(jù)的采集，可以真正做到露天采場(chǎng)所有“看得見(jiàn)”的地物地貌的高密度、無(wú)遺漏采集，通過(guò)精細(xì)三維建模就可以真正實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地物地貌的實(shí)景復(fù)制。以高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)征點(diǎn)構(gòu)建的曲面模型，而且成功的克服了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量對(duì)邊坡、破碎帶等測(cè)量人員不易到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域無(wú)法精細(xì)測(cè)量的弊端。

2）測(cè)量效率高，數(shù)據(jù)更新周期快，成功的消除了傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)更新周期長(zhǎng)的弊端。傳統(tǒng)測(cè)量手段外業(yè)數(shù)據(jù)采集花費(fèi)時(shí)間較多，圖紙更新周期長(zhǎng)，致使以測(cè)量數(shù)據(jù)圖紙為基礎(chǔ)的開(kāi)采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、土方計(jì)算等工作相對(duì)滯后不能及時(shí)準(zhǔn)確的指導(dǎo)與管理現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。而車(chē)載測(cè)量系統(tǒng)能以60 km/h（礦區(qū)限速除外）的速度完成礦區(qū)外業(yè)測(cè)圖工作，通過(guò)配套軟件可以快速的完成數(shù)據(jù)處理礦圖繪制工作。與傳統(tǒng)測(cè)圖相比，將整個(gè)測(cè)量成圖效率提高10倍乃至數(shù)十倍以上。

3）為露天礦邊坡監(jiān)測(cè)與分析提供了一種精細(xì)、安全、高效的方法。邊坡滑坡是露天礦的重大災(zāi)害之一，及時(shí)準(zhǔn)確有效的進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)是露天礦安全生產(chǎn)的重中之重。傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)的方法是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)線(xiàn)布設(shè)在變形特征明顯的邊坡地段，通過(guò)周期性觀(guān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)線(xiàn)的位移量來(lái)確定面的變化量。而車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)非接觸的采集方式對(duì)露天邊坡進(jìn)行高精度、高密度的數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)友好軟件對(duì)相鄰觀(guān)測(cè)周期的邊坡激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及初始邊坡激光點(diǎn)云觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代配準(zhǔn)，變形分析，就可在邊坡立體三維點(diǎn)云模型上以不同顏色表示不同區(qū)域的變形程度及位移量，為滑坡預(yù)報(bào)及邊坡治理提供了及時(shí)、精確、有力的數(shù)據(jù)支持。

4）實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的高度自動(dòng)化。成功的將外業(yè)數(shù)據(jù)采集直接轉(zhuǎn)換為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，給礦山測(cè)量人的工作方式帶來(lái)了革命性的轉(zhuǎn)變。以測(cè)量人員在車(chē)載的情況下高效非接觸式的數(shù)據(jù)采集方式代替了傳統(tǒng)測(cè)量人員逐單接觸式的數(shù)據(jù)采集方式，將露天礦測(cè)量人員從惡劣危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境中解放出來(lái)，成功消除了測(cè)量人員與巨型采礦機(jī)械交叉作業(yè)的安全隱患。以高密度、無(wú)遺漏的采集露天采場(chǎng)所有“看得見(jiàn)”地物地貌數(shù)據(jù)代替了傳統(tǒng)測(cè)量人員有選擇性的采集與生產(chǎn)有關(guān)的主要地物地貌數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)采集對(duì)測(cè)量人員專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的要求，也消除了在特征點(diǎn)選取時(shí)的人為主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)誤差，提高了測(cè)量精度。

5）實(shí)現(xiàn)了二維礦圖向三維點(diǎn)云模型的革命性轉(zhuǎn)變。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為高密度的激光點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云影像配準(zhǔn)、精細(xì)建模等流程生成高精度附帶紋理可測(cè)量的真三維點(diǎn)云模型。在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件（如南方優(yōu)立數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件Geoverse Convert）無(wú)損轉(zhuǎn)換壓縮實(shí)現(xiàn)TB級(jí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的秒級(jí)加載，最后通過(guò)相應(yīng)的在線(xiàn)發(fā)布平臺(tái)在線(xiàn)發(fā)布，采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等相關(guān)人員就可以通過(guò)瀏覽器完成露天采場(chǎng)三維點(diǎn)云模型的快速瀏覽與需求信息的獲取工作。

6）實(shí)現(xiàn)被動(dòng)測(cè)量向主動(dòng)測(cè)量的巨大轉(zhuǎn)變。過(guò)去，測(cè)量人員只是采集規(guī)范要求的幾種與露天生產(chǎn)密切相關(guān)的主要要素，不能完全滿(mǎn)足不同單位部門(mén)（如生產(chǎn)調(diào)度、機(jī)電管理、環(huán)境治理、煤炭運(yùn)銷(xiāo)等）的信息需求。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)使用毫米級(jí)分辨率的三維激光掃描儀和3 000萬(wàn)以上像素的全景相機(jī)分別進(jìn)行空間位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)和屬性影像數(shù)據(jù)的采集，可以做到對(duì)礦區(qū)所有“看得見(jiàn)”地物地貌的高密度、無(wú)遺漏采集，并通過(guò)精細(xì)三維建模就可以真正實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地物地貌的實(shí)景復(fù)制。而真三維點(diǎn)云模型的線(xiàn)發(fā)布，使得人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上根據(jù)自己個(gè)人的需求，尋找想要的信息，如采礦設(shè)計(jì)人員可以量測(cè)任意工作面任意地段的臺(tái)階高度；機(jī)電管理人員可以查看采區(qū)電桿線(xiàn)路分布情況；環(huán)境治理人員可以查看復(fù)墾區(qū)域草木長(zhǎng)勢(shì)統(tǒng)計(jì)礦區(qū)綠化面積；煤炭運(yùn)銷(xiāo)人員可以量算儲(chǔ)煤場(chǎng)地庫(kù)存煤量等等。

7）極大地推動(dòng)了“數(shù)字礦山”建設(shè)進(jìn)程。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山所有“看得見(jiàn)”的地物地貌空間和屬性數(shù)據(jù)的無(wú)遺漏采集。礦區(qū)真三維點(diǎn)云模型的建立實(shí)現(xiàn)了礦山的所有空間和屬性數(shù)據(jù)的科學(xué)、合理和高效的管理與整合，構(gòu)建了一個(gè)礦山信息模型，提供了直觀(guān)、快速的檢索和顯示手段。真三維點(diǎn)云模型的在線(xiàn)發(fā)布及普遍應(yīng)用為科學(xué)決策和高效管理提供了有力支撐。

2.2 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用中的不足

1）車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能對(duì)其所“看見(jiàn)”的地物地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)礦區(qū)道路不通車(chē)輛無(wú)法到預(yù)期位置，使車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)“看不見(jiàn)”的地物地貌就無(wú)能為力了，這種情況就必須采用傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)此類(lèi)地形加以補(bǔ)測(cè)。但隨著無(wú)人機(jī)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的不斷提高和完善以及背包式移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，我堅(jiān)信最終移動(dòng)測(cè)量技術(shù)完全可以徹底代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量技術(shù)完成對(duì)露天采場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集工作。

2）車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)成功的將外業(yè)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換成為內(nèi)業(yè)處理，在大大地減輕了測(cè)量人員外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作強(qiáng)度的同時(shí)，增加了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的工作量，并對(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)有了很高的要求。

3）由于車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)空間位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像屬性數(shù)據(jù)的高密度無(wú)遺漏的采集方式，造成露天采場(chǎng)的外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)從原來(lái)的幾MB變成現(xiàn)在的幾十GB，致使對(duì)用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)軟硬件有了極高的要求。

4）車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比在數(shù)據(jù)采集方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)礦區(qū)控制測(cè)量、礦區(qū)道路施工放樣、采礦權(quán)界線(xiàn)標(biāo)定等方面的測(cè)量工作就無(wú)能無(wú)力了，必須借助傳統(tǒng)測(cè)量手段如RTK、全站儀等。

3 結(jié) 語(yǔ)

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦的推廣使用是礦山測(cè)量史上繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全景影像的成功融合、真三維點(diǎn)云模型的建立與使用，實(shí)現(xiàn)了二維礦圖向三維點(diǎn)云模型、被動(dòng)測(cè)量向主動(dòng)測(cè)量的革命性轉(zhuǎn)變，更是促進(jìn)了數(shù)字化礦山建設(shè)的進(jìn)程，提高了礦山的精細(xì)化管理程度。

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【責(zé)任編輯：張 夙】

Feasibility study on the application of vehiclemounted mobilemeasurement system in open-pitmine

YAN Huaimin
(Rujigou Anthracite Branch,Shizuishan 753004,China)

TD57

B

1671-9816（2017）10-0023-03

2017-04-26

嚴(yán)懷民（1985—），男，工程師，2009年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于神華寧煤集團(tuán)汝箕溝無(wú)煙煤分公司生產(chǎn)技術(shù)科。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.007

嚴(yán)懷民.車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在露天礦應(yīng)用的可行性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：23-25.