無人機載三維激光掃描技術(shù)在露天礦山測量中的應(yīng)用

閆魏力，張 馳，王洛鋒

(1.礦冶科技集團有限公司； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心； 3.洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司)

引 言

露天礦山測量工作的主要目的是獲取地質(zhì)地形數(shù)據(jù)并為地質(zhì)勘探、儲量計算及采礦設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]。露天礦山生產(chǎn)過程中，一系列的測量工作不可避免，其主要包括邊坡測量、排土場測量、礦石堆測量、地形測量、各種變形位移測量、各種管線及建筑物測量等[3-6]。

傳統(tǒng)露天礦山測量通常依靠全站儀或RTK采集礦山采剝面輪廓的轉(zhuǎn)折點坐標，進而來表征露天礦山特征，測量精度低、表征數(shù)據(jù)量較少，以此構(gòu)建的三維模型準確性低且主觀性大，嚴重影響成果質(zhì)量[7-9]。另外，由于露天礦山采場范圍大，生產(chǎn)效率高，測量任務(wù)勢必十分繁重，傳統(tǒng)手段測量效率低已很難滿足當前露天礦山快速測量的要求。因此，為了能夠快速獲取露天礦山全面而準確的數(shù)據(jù)信息，滿足露天礦山高效高精度的測量要求，采用更加先進的測量技術(shù)開展露天礦山測量工作十分必要。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)從根本上改變了大家對于礦山測量的認知，彌補了傳統(tǒng)測量方法在露天礦山測量過程中所暴露的測量效率低、準確性差等問題。采用三維激光掃描技術(shù)可實現(xiàn)露天礦山的實景復(fù)制測量，不僅具有非常高的測量精度，而且大大提升了測量效率，獲得的信息也非常全面，最重要的是其時效性顯著提高。無人機載三維激光掃描技術(shù)作為三維激光掃描技術(shù)與無人機技術(shù)的深度結(jié)合,進一步拓展了三維激光掃描技術(shù)在露天礦山掃描中的適用性，特別是針對露天礦山海拔高易受霧氣影響、境界范圍大測量工作較難開展及境界落差大對設(shè)備性能要求較高等特點，該項技術(shù)可較好地滿足測量要求，高效獲取露天礦山全面而精確的測量數(shù)據(jù)[10-18]。

某露天礦山礦區(qū)范圍為標準山地地形，地勢起伏較大，露天境界設(shè)計底部標高-498 m，露天開采境界范圍內(nèi)最大落差近500 m，設(shè)計最終邊坡角為45°。露天礦山所在范圍天氣條件較為惡劣，夏季多陰雨、暴雨天氣，冬季多霧。

本文針對該露天礦山特殊的工況條件，采用無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)對其采場范圍進行了精細化掃描測量工作，構(gòu)建了完整而翔實的露天礦山三維實體模型，在充分進行精度驗證的基礎(chǔ)上進行了礦山收方應(yīng)用，快速獲得了該礦山多期爆破后的礦石量變化情況，為礦山生產(chǎn)計劃的及時調(diào)整和儲量動態(tài)管理提供了高精度原始數(shù)據(jù)，提高了露天礦山的技術(shù)管理水平。

1 無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)

無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)整體包含2部分：一部分為無人機飛行平臺；另一部分為機載激光雷達。其中，飛行平臺為1架六旋翼、大負載、長續(xù)航曜宇Yunux-Long無人機，空載續(xù)航時間為2 h，負載8 kg情況下續(xù)航時間約為1 h。無人機操作系統(tǒng)通過無線基站與無人機飛行平臺建立連接，最遠監(jiān)測距離為15 km。機載激光雷達的型號為ARS-1000，該激光雷達采用RIEGL-1000激光掃描模塊，其最大測量距離為920 m，絕對測量精度±5 cm，質(zhì)量5 kg，最大有效測量速度為500 000點/s，采用最先進的多次回波技術(shù)，適用于植被茂密區(qū)域的地形測量。無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)組成

2 數(shù)據(jù)采集及三維建模

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)露天采場現(xiàn)場情況，本次研究選定實際掃描范圍約為長1 600 m，寬1 600 m，設(shè)置飛行高度相對掃描范圍內(nèi)最高處約120 m，覆蓋飛行面積約1.8 km2，地面采樣距離4 cm。無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)可覆蓋的測區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)可覆蓋的測區(qū)范圍

2.2 數(shù)據(jù)解算處理

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集得到原始格式的測區(qū)三維點云數(shù)據(jù)文件，由于測量系統(tǒng)采用的是WGS84坐標系統(tǒng)，而礦山制圖一般采用的是西安80或國家2000坐標系統(tǒng)，因而借助配套的數(shù)據(jù)解算軟件執(zhí)行坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及三維點云數(shù)據(jù)融合等操作，得到露天采場在國家2000坐標系統(tǒng)下的真實坐標三維點云模型(如圖3所示)。

圖3 露天采場三維點云模型

2.3 采場三維建模

以上述露天采場三維點云模型為基礎(chǔ)，按照點云濾波、去噪、抽稀及構(gòu)建DTM網(wǎng)格的一般建模流程構(gòu)建露天采場三維實體模型，如圖4所示。

圖4 露天采場三維實體模型

3 掃描精度驗證

無人機載三維激光掃描工作由于受到無人機飛行時風(fēng)流擾動、飛行較高時云層遮擋及地表反射強度參差不齊等因素影響，導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)可能與實際露天采場臺階存在一定偏差。為了避免誤差較大而影響后期數(shù)據(jù)使用的效果，有必要針對現(xiàn)場掃描獲得的數(shù)據(jù)進行精度驗證。為此，本文從2個角度對現(xiàn)場掃描的數(shù)據(jù)精度進行分析：一是基于三維點云數(shù)據(jù)本身的區(qū)域性偏差分析；二是基于三維實體模型的典型剖面相似性分析。上述2種分析方式所采用的參考模型均為基于RTK測量建立的露天采場三維模型，如圖5所示。

圖5 基于RTK測量建立的露天采場三維模型

3.1 區(qū)域性偏差分析

現(xiàn)場掃描獲得的露天采場三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)解算融合后將得到與實際露天采場形態(tài)及坐標位置完全一致的三維點云模型，將該模型與基于RTK測量得到的露天采場三維模型進行復(fù)合，得到復(fù)合模型(如圖6-a)所示)，通過區(qū)域性分析算法可得到掃描三維點云與實體模型間的偏差數(shù)據(jù)(如圖6-b)所示)。

圖6 掃描三維點云與實體模型的區(qū)域性偏差分析

由圖6-b)的分析結(jié)果可知，掃描點云與實體模型間整體偏差基本位于±23.152 mm，誤差較小。

3.2 典型剖面相似性分析

將基于掃描三維點云模型建立的露天采場實體模型數(shù)據(jù)與基于RTK測量得到的露天采場三維模型進行復(fù)合，得到復(fù)合模型(如圖7所示)。按照圖7中預(yù)設(shè)的2條剖面線切割復(fù)合模型并提取剖面線特征點坐標，將2組剖面線特征點坐標數(shù)據(jù)分別擬合得到如圖8所示的相似性曲線。

由圖8的相似性分析結(jié)果可知：典型剖面特征曲線相似度較高，基于掃描三維點云建立的露天采場三維模型與基于RTK建立的露天采場三維模型能夠較好的吻合，滿足測量要求。

圖7 掃描三維模型與真實三維模型復(fù)合圖

圖8 典型剖面相似性分析

經(jīng)過以上2個角度的分析，該無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)掃描精度較高，相對測量精度優(yōu)于5 cm，能夠較好地滿足露天礦山測量要求。

4 方量驗收計算

圖9 露天采場三維激光掃描點云模型

采用上述無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)先后2次對該露天采場北部某區(qū)域爆破鏟裝后的邊坡臺階進行了掃描，得到露天采場三維激光掃描點云模型，如圖9所示。 基于上述三維點云模型，建立兩期露天采場三維實體模型，如圖10所示。

圖10 無人機載掃描露天采場三維實體模型

將第一次掃描建立的露天采場三維實體模型與圖4中實施爆破前的露天采場三維實體模型進行復(fù)合，計算爆破開挖量分別為93 713.88 m3和136 951.58 m3，如圖11所示。

圖11 爆破前后露天采場掃描三維實體模型復(fù)合

5 結(jié) 論

1)采用無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)對某露天采場進行了掃描，快速獲得了完整的露天采場三維點云模型，并以此為基礎(chǔ)建立了露天采場三維實體模型。

2)分別采用區(qū)域性偏差分析和典型剖面相似性分析2種方法驗證了無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)的準確性，結(jié)果表明該系統(tǒng)相對測量精度優(yōu)于5 cm。

3)基于驗證后的無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)對該露天采場分別開展了2次掃描測量工作，高效且準確地計算出爆破前后的礦石開挖量。

4)無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)能夠較好地適用于露天礦山大場景測量，可以顯著提高測量效率，彌補傳統(tǒng)測量方式存在的不足，對于推動露天礦山測量工作的發(fā)展具有重要意義。