基于激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影的露天采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用

馬國(guó)超，王立娟，馬 松，劉 歡

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045；2.重大危險(xiǎn)源測(cè)控四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610045)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)露天采場(chǎng)尚普遍存在規(guī)模小分布廣、作業(yè)設(shè)備落后、技術(shù)資料缺乏以及安全意識(shí)較弱等現(xiàn)象[1-2 ]。采場(chǎng)生產(chǎn)過程中大量的爆破、機(jī)械挖掘等工程活動(dòng)不僅使得采場(chǎng)邊坡常常形成結(jié)構(gòu)破碎、坡度陡峭的高危臨空面，極易促生崩滑地質(zhì)災(zāi)害。且其臨時(shí)堆放的、或非自然坍塌的松散土粒也常常構(gòu)成危險(xiǎn)的易滑物源，這些潛在隱患常促使采場(chǎng)安全事故頻發(fā)，如2015年11月5日，甘肅永登縣河橋鎮(zhèn)鑫野盛采石場(chǎng)在爆破作業(yè)時(shí)，作業(yè)面山體突發(fā)崩塌；2014年1月16日，貴州德江縣玉水街道水車壩村黃門埡采石場(chǎng)三號(hào)作業(yè)面在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)發(fā)生坍塌事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)224萬(wàn)；2010年5月9日，廣西全州縣咸水鄉(xiāng)洛江村廣坑槽采石場(chǎng)發(fā)生泥石流災(zāi)害。鑒于此，及時(shí)和準(zhǔn)確地排查出露天采場(chǎng)安全隱患是保障礦山企業(yè)生產(chǎn)安全的前提，是實(shí)施采場(chǎng)安全工作的重中之重。

目前，人工巡檢是企業(yè)實(shí)施露天采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)的主要方式，但該類工作方式存在觀測(cè)視野狹窄、地形高陡難攀以及專業(yè)經(jīng)驗(yàn)不足等多因素限制，這便導(dǎo)致很多采場(chǎng)局部安全隱患難以被一一排查，或者企業(yè)人員難以對(duì)現(xiàn)存的安全隱患進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估等問題，容易滋生采場(chǎng)安全隱患的惡性發(fā)展，誘發(fā)安全事故。因此，尋求一種兼顧全面性和專業(yè)性的露天采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)方法是當(dāng)前露天礦山開采工作的現(xiàn)實(shí)需求。

三維測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前新興的測(cè)量科技，在本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量模式，能夠構(gòu)建真實(shí)的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)空間立體監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備高精度和大數(shù)據(jù)特征[3-4]。目前，三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影是應(yīng)用最為普遍的三維測(cè)量技術(shù)方法，兩類技術(shù)在數(shù)字建模、考古挖掘、地形測(cè)繪、文物保護(hù)以及災(zāi)害評(píng)估等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性的應(yīng)用進(jìn)展[5-10]。

三維激光掃描是一種通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)射激光，通過目標(biāo)反射將掃描地物的空間位置信息以三維點(diǎn)云的形式記錄下來(lái)的測(cè)量手段，具備高效率、高精度，受自然光影響小等優(yōu)勢(shì)[6]。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的有脈沖式和相位式2類機(jī)型，其中相位式基本原理利用無(wú)線電波的頻率測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再依據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)換算相位延遲所代表的距離，測(cè)量范圍宜在150 m以內(nèi)，測(cè)量精度一般優(yōu)于5 mm，數(shù)據(jù)獲取速率能達(dá)百萬(wàn)級(jí)每秒[6]；脈沖式基本原理是通過高精度時(shí)鐘記錄激光脈沖的往返時(shí)間差，并以光速和時(shí)間的乘積關(guān)系確定測(cè)距，測(cè)量范圍宜在300～2 000 m之間，最長(zhǎng)能達(dá)6 000 m，測(cè)量精度一般優(yōu)于10 mm[11]。另外三維激光掃描儀有機(jī)載、車載以及地面式等多平臺(tái)工作模式，鑒于工業(yè)集成程度和制造成本限制，地面式三維激光掃描是當(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)用最為普及的。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是將多角度高清相機(jī)(目前常用的是五鏡頭相機(jī))搭載在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上對(duì)地表對(duì)象進(jìn)行拍攝，再基于多視影像的地表同名點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)密集匹配，進(jìn)而快速獲取三維數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，能有效克服地面建筑和復(fù)雜地形的限制干擾[12]。無(wú)人機(jī)在空中拍攝時(shí)會(huì)通過GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)記錄拍攝照片空間位置和角度姿態(tài)，在保障照片之間足夠重疊度的前提下便可利用空中三角測(cè)量自動(dòng)解算空間立體模型，通常要求無(wú)人機(jī)飛行航向重疊度和旁向重疊度達(dá)到66%及以上[12～13]。其中無(wú)人機(jī)和攝影平臺(tái)性能是影響測(cè)量質(zhì)量的主要因素，且該2部分組件相對(duì)獨(dú)立可自由組裝，當(dāng)前一般采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載攝影平臺(tái)，飛行高度多在50～300 m之間，配置相機(jī)像素多在2 000萬(wàn)～5 000萬(wàn)之間，最高像素能達(dá)億級(jí)，拍攝影像分辨率多在0.05～0.3 m之間，測(cè)量精度能達(dá)厘米級(jí)[13]。

總結(jié)而言，三維測(cè)量技術(shù)能夠?qū)y(cè)量對(duì)象實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字化仿真還原，為解決露天采場(chǎng)生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)困境提供了新的解決方案。本文結(jié)合三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)礦山露天采場(chǎng)進(jìn)行安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)踐，攻關(guān)技術(shù)應(yīng)用難題，探究三維測(cè)量技術(shù)在采場(chǎng)安監(jiān)領(lǐng)域的適用性程度，研發(fā)適用于露天采場(chǎng)生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)的新技術(shù)流程。

1 技術(shù)應(yīng)用問題研究

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的三維測(cè)量數(shù)據(jù)采集流程，選擇四川南部數(shù)個(gè)露天采場(chǎng)開展三維激光掃描(脈沖式)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影在安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用實(shí)踐。即通過2類技術(shù)構(gòu)建高精度三維露天采場(chǎng)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上開展采場(chǎng)安全評(píng)價(jià)分析，進(jìn)而評(píng)估三維測(cè)量技術(shù)在露天采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的適用性價(jià)值。其應(yīng)用基礎(chǔ)流程如圖1。

圖1 技術(shù)應(yīng)用流程示意Fig.1 Technology application process

鑒于當(dāng)前礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尚無(wú)三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的參考案例，本文探索性地總結(jié)了2類技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理中存在的典型技術(shù)應(yīng)用問題和解決方案。

1.1 數(shù)據(jù)采集受場(chǎng)地限制

礦山露天采場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境一向較為復(fù)雜，道路凌亂、地勢(shì)高陡、堆排無(wú)序、植被茂密等均是當(dāng)前中小型礦山采場(chǎng)普遍存在的現(xiàn)象。這些復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境條件很容易對(duì)采場(chǎng)數(shù)據(jù)采集造成干擾，從而形成數(shù)據(jù)采集盲區(qū)。

特別對(duì)于地面站點(diǎn)式的三維激光掃描而言，采場(chǎng)高陡邊坡上的壁面凹陷以及平臺(tái)階面更是其常見的掃描盲點(diǎn)。

通過應(yīng)用研究，獨(dú)立的地面站點(diǎn)式激光掃描工作難以實(shí)現(xiàn)露天采場(chǎng)全貌三維信息完整性采集，而搭載在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的傾斜攝影系統(tǒng)則具備了靈活的空對(duì)地觀測(cè)視角，受地面生產(chǎn)環(huán)境條件的約束限制較弱，能有效采集到地面三維激光掃描盲區(qū)數(shù)據(jù)。因此，在復(fù)雜的礦山采場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中，為實(shí)現(xiàn)無(wú)死角的采場(chǎng)地面生產(chǎn)環(huán)境信息采集，宜采用中小型無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影或激光掃描等三維測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集，如圖2。

1.2 點(diǎn)云坐標(biāo)系匹配

鑒于無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描是2套相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量技術(shù)體系，其測(cè)量成果均具有自己獨(dú)立的坐標(biāo)體系。地面三維激光掃描每一測(cè)站數(shù)據(jù)都具有獨(dú)立坐標(biāo)系，一般通過數(shù)據(jù)重疊區(qū)布設(shè)的同名控制點(diǎn)(靶標(biāo)、特征點(diǎn)等)將每個(gè)站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣變換拼接，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云整合和坐標(biāo)統(tǒng)一[14]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影能夠通過重疊率足夠的相片組一次性構(gòu)建一套完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其坐標(biāo)系則依靠地面布設(shè)的控

圖2 數(shù)據(jù)采集示意Fig.2 The data collection

制點(diǎn)(栗子粉十字絲、特征物、航空靶標(biāo)等)進(jìn)行整體轉(zhuǎn)換與校正[15]。因此，實(shí)現(xiàn)2類成果點(diǎn)云模型的坐標(biāo)匹配是構(gòu)建采場(chǎng)三維安全分析基礎(chǔ)前提。

通過應(yīng)用研究，全站儀和RTK測(cè)量是獲取2類三維測(cè)量控制點(diǎn)地理坐標(biāo)的通用方式。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，保障2類技術(shù)控制點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一能夠?qū)崿F(xiàn)2類三維測(cè)量成果數(shù)據(jù)的坐標(biāo)匹配，如圖3。另外，在采場(chǎng)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下，移動(dòng)便捷的RTK工作模式更適合坐標(biāo)系控制點(diǎn)的測(cè)量，具有更高的時(shí)間效率和可行能力。地面三維激光掃描宜采用“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方式，即在已知測(cè)點(diǎn)布站，后視點(diǎn)測(cè)量控制；無(wú)人機(jī)傾斜攝影則需要注意均勻布測(cè)地面控制點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與融合

三維點(diǎn)云是激光掃描和傾斜攝影測(cè)量成果的基本體現(xiàn)形式，海量的點(diǎn)云集合記錄著測(cè)量對(duì)象平面、高程、

以及表面色系等信息，是實(shí)施后期建模、專業(yè)分析的基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。因此，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量精度至關(guān)重要。然而2類點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水平面上吻合性較好，但在采場(chǎng)部分高陡區(qū)域上存在較大的高程值差異，多數(shù)會(huì)在300～700 mm之間，最高能達(dá)到米級(jí)以上的差異，如圖4。為判別測(cè)量成果精度準(zhǔn)確性，本文引用RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與2類成果點(diǎn)云進(jìn)行比較驗(yàn)證，2類點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水平面上均具有良好的控制效果，誤差基本在毫米級(jí)和厘米級(jí)，但無(wú)人機(jī)傾斜攝影在高陡地形上的高程精度控制明顯要弱于地面三維激光掃描，誤差能達(dá)米級(jí)，如表1。為彌補(bǔ)點(diǎn)云之間局部偏差問題，宜以三維激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，將傾斜攝影點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)擬合，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合。

圖3 三維點(diǎn)云坐標(biāo)匹配Fig.3 Coordinate matching of 3D points cloud

圖4 三維點(diǎn)云對(duì)比Fig.4 Comparison of 3D points cloud

驗(yàn)證點(diǎn)編號(hào)RTK測(cè)量/mXYZ三維激光測(cè)量/mXYZ無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量/mXYZ1548.146180.851869.12548.136180.851869.11548.136180.851869.092684.016059.641917.60684.026059.641917.59684.016059.621917.523931.645946.161965.57931.625946.151965.53931.615946.191965.3641008.376098.092015.241008.356098.072015.221008.296098.022014.9851068.916131.862089.131068.896131.892089.091068.936131.912088.0261105.296204.462124.671105.276204.392124.621105.286204.422123.347796.196287.911931.86796.156287.851931.86796.186287.881931.84

*表1中測(cè)量數(shù)據(jù)采用自定義的空間坐標(biāo)系，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖3。

通過應(yīng)用研究，結(jié)合目視特征點(diǎn)(道路交匯點(diǎn)、臺(tái)階邊緣特征點(diǎn)等)人工配準(zhǔn)方法和迭代最臨近點(diǎn)自動(dòng)配準(zhǔn)方法(ICP算法)能夠良好地實(shí)現(xiàn)2類點(diǎn)云的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)融合，配準(zhǔn)后的2類三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)平均點(diǎn)間距普遍在20～200 mm之間，采場(chǎng)高陡壁面的高程差異也能普遍控制到200 mm之內(nèi)，從而構(gòu)建出高精度的融合點(diǎn)云模型，如圖5。

圖5 點(diǎn)云配準(zhǔn)分析Fig.5 Analysis of point cloud registration

2 安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

基于露天采場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)況，立足安全監(jiān)管現(xiàn)實(shí)需求，本文通過實(shí)際應(yīng)用總結(jié)，上述三維仿真模型在露天采場(chǎng)數(shù)字化安全監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)規(guī)劃方面均具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化監(jiān)控

傳統(tǒng)的人工巡檢難以宏觀掌控采場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，平面的測(cè)繪產(chǎn)品也不能盡述采場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)狀，而由三維測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維數(shù)字模型則可從本質(zhì)上彌補(bǔ)上述采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)遺漏問題。能夠真實(shí)地還原采場(chǎng)整體生產(chǎn)環(huán)境，支撐三維漫游、三維測(cè)量以及三維標(biāo)注，能數(shù)字化展示采場(chǎng)當(dāng)前開采、礦山廢渣堆積、周邊居民分布、生產(chǎn)工程建設(shè)、道路交通分布等一系列采場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)狀要素，改變以現(xiàn)場(chǎng)紀(jì)錄或照片形式描述生產(chǎn)隱患問題的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)生產(chǎn)隱患問題數(shù)字化監(jiān)測(cè)。且在室內(nèi)組織專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測(cè)，既解決現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)視野限制，又能集思廣益，最優(yōu)化分析采場(chǎng)安全現(xiàn)狀，可極大提高采場(chǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)效率,如圖6。

圖6 采場(chǎng)數(shù)字化三維監(jiān)控示意Fig.6 Digital 3D monitoring in open-pit

2.2 輔助安全生產(chǎn)規(guī)劃

在采場(chǎng)生產(chǎn)過程中，爆破、挖掘以及堆存等一系列工程活動(dòng)都屬于粗獷性的工作模式，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，容易導(dǎo)致邊坡坡度、壁面裂隙、臺(tái)階寬度以及松散物堆存量等安全相關(guān)因素不符合設(shè)計(jì)或合理要求。而三維仿真模型具有的精準(zhǔn)空間三維測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)則能為此類生產(chǎn)工作改良提供應(yīng)用支撐，如在三維模型上實(shí)施布線爆破，可依據(jù)空間測(cè)量對(duì)爆破孔位實(shí)施精確設(shè)計(jì)和藥量評(píng)估，防止爆破失誤；在邊坡開挖生產(chǎn)中，可依據(jù)邊坡裂隙程度、現(xiàn)狀坡度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)規(guī)劃邊坡開挖模式，防止邊坡穩(wěn)定因素惡化；在采場(chǎng)松散碎石堆排方面，可依據(jù)方量測(cè)量和空間參數(shù)嚴(yán)格控制物方堆量和位置，防止泥石流等災(zāi)害形成，如圖7～8。

圖7 堆排監(jiān)測(cè)Fig.7 Ore storage monitoring

圖8 采場(chǎng)爆破規(guī)劃 Fig.8 Pit blasting design

3 結(jié)論

1)三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影2類技術(shù)結(jié)合應(yīng)用可克服露天采場(chǎng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境限制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)地面生產(chǎn)環(huán)境信息的無(wú)死角數(shù)據(jù)采集。

2)采用RTK或全站儀統(tǒng)一激光掃描和傾斜攝影的控制點(diǎn)坐標(biāo)系，可保障2類測(cè)量成果的坐標(biāo)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)測(cè)量成果初步匹配。

3)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在精度控制上要優(yōu)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，以激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，采用基于特征點(diǎn)的ICP配準(zhǔn)算法可有效融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而能構(gòu)建一套高精度、高時(shí)效、高分辨率的露天采場(chǎng)三維點(diǎn)云模型。

4)融合的采場(chǎng)三維仿真模型能真實(shí)復(fù)制采場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，能多尺度精確監(jiān)測(cè)采場(chǎng)安全隱患，有效輔助爆破、挖掘等安全生產(chǎn)規(guī)劃工作，可提高安全監(jiān)測(cè)效率，降低安全隱患滋生事故概率。

5)數(shù)字化三維采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)模式在本質(zhì)上改進(jìn)了采場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)作業(yè)模式，為實(shí)現(xiàn)露天采場(chǎng)兼顧全面性和專業(yè)性的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)提供了良好解決方案。

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