露天礦智能測繪與精準算量技術(shù)在芒來露天礦的應(yīng)用

楊程燁，周謙益，李保生，梁秀峰

（1.中鐵資源蘇尼特左旗芒來礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 011300；2.北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100071）

傳統(tǒng)的露天礦驗量方式以GPS 結(jié)合全站儀模式進行數(shù)據(jù)采集，作業(yè)過程中需要將人送至工作面、叫停作業(yè)設(shè)備、步行采集特征點，采用人工徒步的方式測量完成礦區(qū)所有范圍的采場及排土場區(qū)域地形，并利用CASS 完成特征線構(gòu)建、特征點提取等工作。在長期實踐過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)驗量方法存在許多問題，首先，在此種作業(yè)過程中存在邊幫落石傷人、交通事故等風(fēng)險，其次，測繪期間大型設(shè)備暫停作業(yè)也無形中造成了經(jīng)濟損失，影響礦區(qū)生產(chǎn)效率；再者，測量精度、數(shù)據(jù)密度低，不僅無法全面反映采剝工程量，還無法滿足數(shù)字化礦山及智慧化礦山建設(shè)對空間地理信息數(shù)據(jù)的要求；人為選擇的特征點，只應(yīng)用于采剝量計算，數(shù)據(jù)復(fù)用率低。因此迫切需要一種更加安全高效的測繪計量方式提高測繪生產(chǎn)效率。近年來無人機載激光雷達在各行業(yè)的應(yīng)用正處于不斷的研究與實踐當中。朱海斌[1]等人，將搭載攝影設(shè)備的無人機應(yīng)用在露天礦測測繪中，提高了測繪的效率；徐陽亮[2]以洞庭湖攝區(qū)為例，分析了LIDAR 點云的數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)精度，證實了LIDAR 點云精度滿足日常測繪精度要求；李國元[3]、孫淑麗[4]、杜芳[5]等人都使用LIDAR 技術(shù)在各行業(yè)進行了應(yīng)用。但目前尚無人將無人機機載雷達數(shù)據(jù)采集手段和新型的基于三維數(shù)據(jù)的算量手段進行相結(jié)合計算采剝量。為此，基于無人機機載雷達測量技術(shù)以其非接觸測量的技術(shù)特點，研究一種更加高效的露天礦測繪流程方法，降低工作人員進入礦坑區(qū)域的工作時間，提高測繪人員的安全性，并且確保得到礦區(qū)全面完整的符合工程要求的高精度的三維數(shù)據(jù)信息為后期精準計量工程量提供準確完整的數(shù)據(jù)支撐，從而有效提高算量精度[1]。

1 機載激光雷達測量技術(shù)

機載激光雷達簡稱機載LiDAR，是一種集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3 種技術(shù)于一身的空間測量系統(tǒng)[2]，它集成了GNSS、IMU、激光掃描儀等光譜成像設(shè)備[3]。可以利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、和反射率等信息，最后經(jīng)過綜合處理而得到地面區(qū)域觀測點的三維地理坐標。按其功能分主要有2 大類：①測深機載LiDAR（或稱海測型LiDAR），主要用于海底地形測量；②地形測量機載LiDAR（或稱陸測型LiDAR），正廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在高精度三維地形數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型（DEM））的快速、準確提取方面，具有傳統(tǒng)測繪手段不可替代的獨特優(yōu)勢。尤其對于一些測圖困難區(qū)域的高精度DEM 數(shù)據(jù)的獲取，LiDAR 的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。

1.1 機載雷達構(gòu)成

機載LIDAR 的系統(tǒng)組成主要包括：

1）GPS 導(dǎo)航模塊。機載GPS 接收機和地面控制站的GPS 接收及對無人機進行差分定位[4]。

2）IMU（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）。通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息[5]。

3）激光掃描測距模塊。獲取激光發(fā)射點至地面測量點之前的距離。

4）工作平臺。工作平臺采用智能無人機飛行平臺，智能無人機平臺具有安全性強、作業(yè)效率高、智能化高等特點。

1.2 激光雷達傳感器的工作原理

通過激光雷達傳感器，無人機可以向地面發(fā)射激光脈沖，通過回波訊號來精準檢測距離和平面高度，從而進行三維立體構(gòu)圖[6]。機載雷達原理如圖1。

圖1 機載雷達原理

激光雷達傳感器工作流程：①發(fā)射激光脈沖；②記錄回波訊號；③距離測量（飛行時間x 光速）；④檢索平面位置和高度；⑤精確計算回波位置。

1.2 無人機機載雷達測繪優(yōu)勢

1）主動式測繪方式。機載激光雷達技術(shù)通過發(fā)射激光脈沖獲取測繪目標返回來的信號得到測繪目標的三維空間點云數(shù)據(jù)，這種主動式測繪方式的優(yōu)勢在于測繪過程不受天氣、光照等條件制約。

2）快速高效安全的獲取空間信息。機載激光雷達技術(shù)通過無人機平臺的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，能快速高效的獲取大面積的地表空間信息。極大地減少了工作量，提高了工作效率，同時也減少了人員的外業(yè)工作量，保證人員安全作業(yè)。無人機作為平臺，可以探測很多較為危險的區(qū)域，在一定程度上保障作業(yè)的安全性。

3）對植被有一定的穿透力。機載激光雷達技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，獲取森林地區(qū)的真實地形數(shù)據(jù)。對于揚塵，機載雷達也有一定的穿透，能夠獲取底層地面數(shù)據(jù)[7]。

4）獲取的數(shù)據(jù)精度較高。探在80 m 的飛行高度下，機載激光LiDAR 所獲取的點云數(shù)據(jù)的精度可以達到1～3 cm。

2 芒來露天礦智能測繪與精準算量

2.1 芒來露天礦礦區(qū)概況

芒來露天礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟白音烏拉礦區(qū)，總體規(guī)劃10.0 萬t/a，一期規(guī)模5.0 萬t/a。礦田東西長4.79～6.03 km，南北寬2.62～3.58 km，面積15.627 km3。礦田由22 個拐點組成，開采標高696～962 m，開采深度40～250 m，最終邊坡角23°～24°

2.2 芒來露天礦智能測繪系統(tǒng)

智能測繪系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2，無人機露天礦智能測繪主要按照“測區(qū)規(guī)劃-外業(yè)數(shù)據(jù)采集-內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理-精度檢核”的流程開展工作，本次應(yīng)用研究中，采用智能無人機飛行平臺采集采坑數(shù)據(jù)，該平臺支持一鍵起飛，無需人為操控，本身加在高精度GNSS 模塊進行實時差分定位，確保數(shù)據(jù)的采集精度滿足后期驗量需求。

圖2 智能測繪系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2.3 測區(qū)規(guī)劃

利用智能無人機進行數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)芒來露天礦礦區(qū)的具體情況，以及礦區(qū)生產(chǎn)實際精度要求情況，制定飛行方案，從而使獲取的激光雷達數(shù)據(jù)符合礦區(qū)實際生產(chǎn)應(yīng)用要求的精度。

涉及測區(qū)面積共計1.5 km2，因為采集數(shù)據(jù)位于礦坑采區(qū)，最高點與最低點高差約100 m，這樣的高差為點云數(shù)據(jù)獲取增加了很大的難度，如按照統(tǒng)一航高規(guī)劃飛行，不能保證海拔較低地方的點云密度和點云精度。為了保證獲取高精度點云以及點云密度保持一致，飛行采用變高跟隨飛行，該功能保證了無人機距離地面的相對航高保持一個穩(wěn)定值，同時獲取的點云數(shù)據(jù)的精度和密度也保持了一致。

航線設(shè)計是制作高質(zhì)量影像圖的關(guān)鍵，航線需要根據(jù)測區(qū)的幾何形態(tài)與空間環(huán)境，規(guī)劃飛行航線和飛行參數(shù)，在采集區(qū)域設(shè)定獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)要求，即可自動生成最佳的飛行方案。需要考慮飛行航高，重疊度、點密度等因素。航線規(guī)劃的主要參數(shù)為：點密度18 點/m3；點云重疊度50%；航高100 m；海拔高942 m。

2.4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1）基站架設(shè)。在礦區(qū)已知控制點上架設(shè)GPS 設(shè)備，并且GPS 要早于無人機啟動時間，即GPS 基站要遵循“早架晚收”的原則，保證無人機接收衛(wèi)星的時長，落在GPS 基站的接收的時間段中?；九c無人機建立聯(lián)系，為無人機數(shù)據(jù)采集提供導(dǎo)航文件。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的差分結(jié)算，保障數(shù)據(jù)精度，減少現(xiàn)場鋪設(shè)控制點等工作。由于采用的是PPK 無人機，只需要架設(shè)基站即可，不需要再架設(shè)電臺，只需使基站和無人機接收同組衛(wèi)星信號即可。

2）變高DEM 制作。變高飛行需要用能反映真實地形起伏的DEM 作為地圖。所以在變高飛行之前，需要先對測區(qū)進行定高飛行，制作DEM。在航線規(guī)劃模塊中，基于高精度實景三維地形選擇需要進行采集的區(qū)域，根據(jù)露天礦礦坑的幾何形態(tài)與空間環(huán)境，規(guī)劃飛行航線和飛行參數(shù)，在采集區(qū)域設(shè)定獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)要求，即可自動生成最佳的飛行方案。數(shù)據(jù)采集完畢后，經(jīng)解算生成礦區(qū)的點云數(shù)據(jù)?；邳c云數(shù)據(jù)，快速處理出DEM（一次做出采剝區(qū)的DEM，可以多次使用），為無人機下次變高飛行做底圖。

3）變高數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)平飛生成的高精度DEM的幾何形態(tài)與空間環(huán)境，規(guī)劃飛行航線和飛行參數(shù)，在采集區(qū)域設(shè)定獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)要求，即可自動生成最佳的飛行方案。變高航線主要參數(shù)為：點密度18 點/m3；重疊度50%；行高70 m。參數(shù)設(shè)置完成后，啟動無人機進行數(shù)據(jù)采集。

4）七參數(shù)轉(zhuǎn)換點采集。由于GPS 基站和無人機接收的數(shù)據(jù)是WGS-84 坐標，而礦區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)都是采用的北京54 坐標。為了將成果轉(zhuǎn)換為北京54 坐標系，需要經(jīng)在礦區(qū)采集一些轉(zhuǎn)換點，進行參數(shù)計算。坐標轉(zhuǎn)換點需要均勻分布在礦區(qū)的周圍，并且同時采集其WGS-84 橢球坐標和礦區(qū)平面坐標。

2.5 數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，使用諾瓦泰軟件對無人機進行軌跡解算，云數(shù)據(jù)解算完畢之后，就需要對點云進行處理，得到礦區(qū)各部門可以使用的數(shù)據(jù)格式。

1）軌跡解算。在數(shù)據(jù)采集的過程中，GPS 基站和無人機同時在接收衛(wèi)星信號。軌跡解算的目的，是利用GPS 基站的差分數(shù)據(jù)對無人機接收的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進行改正，獲取高精度的飛機位置軌跡。

2）點云解算?；诟呔鹊臒o人機軌跡文件，將雷達數(shù)據(jù)進行解算。根據(jù)軌跡文件提供的高精度位置信息，結(jié)合激光雷達獲取的距離、角度等信息，聯(lián)合結(jié)算高精度高密度的點云數(shù)據(jù)。

2.6 精度分析

將采集的檢查點輸入到點云數(shù)據(jù)之中，查看檢查點和點云數(shù)據(jù)的重合度，并且對點云數(shù)據(jù)進行剖切，比較檢查點和點云的差距。檢查點和點云數(shù)據(jù)重疊，說明點云數(shù)據(jù)滿足精度要求。另外，需要從點云中提取一些坐標點，根據(jù)平面坐標放樣到實地中去，再測量實地中點位的高程值，查看其與點云中高程值的差距。經(jīng)檢查數(shù)據(jù)點位中誤差均小于2 cm，符合工程精度要求。

2.7 精準驗量

外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集完畢之后，即可轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)進行采剝量計算。基于點云數(shù)據(jù)進行采剝量計算，將三維點云數(shù)據(jù)進行過濾，減少噪點，處理后的點云數(shù)據(jù)使用三維可視化的算量工具進行擬合與構(gòu)網(wǎng)，建立采剝?nèi)蔷W(wǎng)格模型，并利用網(wǎng)格模型進行工程量計算。通過多期數(shù)據(jù)進行差值計算，對比分析礦區(qū)的采剝量，輸出采剝量差值報告。計算采剝量，必須有兩期數(shù)據(jù)，即需要兩期數(shù)據(jù)在同一環(huán)境下進行疊加，然后進行比較，最終得到該區(qū)域的填挖方量結(jié)果：挖方量為4 560 702.67 m3，填方量為10 395.1 m3，凈開挖4 550 307.57 m3。

利用三維激光獲取的點云數(shù)據(jù)建立三維模型，可以很方便地計算出所選區(qū)域的體積，并且計算的精度高、速度快[8]。

3 結(jié)語

介紹了露天礦智能測繪與精準算量技術(shù)在芒來露天礦的應(yīng)用露天礦智能測繪與精準計量體系的建立，有利于露天礦使用無人機開展相關(guān)工作，解決露天礦實際生產(chǎn)中的困難，指導(dǎo)露天礦生產(chǎn)活動。露天礦智能測繪和精準計量系統(tǒng)的應(yīng)用，極大提高了生產(chǎn)效率、降低人員安全風(fēng)險、提高成果精度、可以在實現(xiàn)成果多樣性、直觀性的同時，減少生產(chǎn)浪費。在三維空間平臺基礎(chǔ)上進行礦區(qū)建模、采剝量計算，使計算結(jié)果直觀、準確，實現(xiàn)從傳統(tǒng)表格記錄測量點的方式向三維模型存儲測量數(shù)據(jù)的方式轉(zhuǎn)變。提高測繪計量獲取數(shù)據(jù)的智能化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能、全面化采集，提高數(shù)據(jù)的利用率。