大型露天礦高精度快速測繪設(shè)備對比試驗和相應(yīng)方案研究

龐 帆，陳 凱，張 達，余樂文，李翰臣，楊玉竹

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.中國—南非礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)利用“一帶一路”聯(lián)合實驗室，北京 102628）

現(xiàn)階段，大型露天礦對于礦區(qū)現(xiàn)狀圖快速更新、二維或三維模型重建、采剝量計算、坡頂坡地線提取及邊坡穩(wěn)定性分析等應(yīng)用具有迫切需求。常規(guī)的測繪手段，例如全站儀和GPS RTK等，只能進行單點測量，單點測量方式存在測量效率低下、測量數(shù)據(jù)不完整及后處理時間長等問題，同時單點測量數(shù)據(jù)無法表達露天邊坡全局和局部細(xì)節(jié)特征［1］，露天邊坡穩(wěn)定性分析和可視化展示效果較差。

近來年，隨著三維激光掃描技術(shù)、攝影測量技術(shù)、同步定位與建圖技術(shù)［2］（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）及無人機技術(shù)發(fā)展，許多非接觸式高精度快速測繪設(shè)備進入礦山領(lǐng)域，以“面”測量形式彌補了單點測量形式的不足?，F(xiàn)階段適用于露天礦領(lǐng)域的高精度快速測繪設(shè)備，大體分為三類，分別是固定式三維激光掃描儀、以GPS技術(shù)為核心的移動式測繪設(shè)備、以SLAM技術(shù)為核心的移動式測繪設(shè)備。

一些學(xué)者利用高精度快速測繪設(shè)備對露天礦進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)應(yīng)用，例如段奇三［3］利用徠卡HDS-8800固定式三維激光掃描儀對露天礦進行掃描測量，并進行三維建模和數(shù)字高程模型生成；李翠等［4］利用無人機航測系統(tǒng)對露天礦邊坡進行測量，基于三維激光點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)巖石結(jié)構(gòu)面參數(shù)識別和提??；劉亞兵等［5］利用車載式三維激光掃描系統(tǒng)對露天礦進行掃描測量，基于三維激光點云數(shù)據(jù)進行三維建模。但是，眾多學(xué)者往往利用單一的高精度快速測繪設(shè)備在露天礦山進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用，沒有對多種高精度快速測繪設(shè)備進行對比分析，例如比較不同測繪設(shè)備的測量精度、不同測繪設(shè)備的適用環(huán)境、不同測繪設(shè)備的優(yōu)缺點等。

基于以上情況，本文首先根據(jù)測量原理對適合露天礦快速測繪的設(shè)備進行分類，在不同類別中選取具有代表性的設(shè)備，然后結(jié)合某大型露天礦山，系統(tǒng)性介紹各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集流程、主要輸出成果、測量精度及優(yōu)劣勢，最后針對大型露天礦山不同測繪需求提出不同的測繪解決方案。

1 露天礦簡介

某大型露天礦位于黑龍江省鶴崗市蘿北縣，礦區(qū)南北方向跨度超2 km，東西方向跨度超1 km，最大高差超200 m，被譽為“亞洲第一大石墨礦”，礦區(qū)三維模型如圖1所示。礦區(qū)形狀呈現(xiàn)不規(guī)則、狹長型分布。單點測量方式外業(yè)采集難度較大，采集效率較低，且操作人員安全性無法得到保障。

圖1 大型露天礦三維模型Fig.1 3D model of large open-pit mine

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 高精度快速測繪設(shè)備選型

根據(jù)測繪原理，現(xiàn)階段露天礦領(lǐng)域的高精度快速測繪設(shè)備主要分為三類：固定式三維激光掃描儀、以GPS技術(shù)為核心的移動式測繪系統(tǒng)、以SLAM技術(shù)為核心的移動式測繪系統(tǒng)。當(dāng)前以GPS技術(shù)、SLAM技術(shù)為核心的移動式測繪系統(tǒng)按照搭載核心傳感器不同可分為基于視覺相機和基于激光雷達兩類，但是基于視覺SLAM技術(shù)的移動式測繪系統(tǒng)尚不成熟，無法進入實際應(yīng)用階段。

不同廠商的固定式三維激光掃描儀測量精度相當(dāng)，均能達到毫米級建圖精度，例如礦冶集團BLSSHP、美國 FARO Focus Premium［6］、奧地利 Riegl VZ-400i［7］等，本文選取BLSS-HP作為遠距離高精度三維激光掃描儀的代表?；谝曈X相機的以GPS技術(shù)為核心的移動式測繪設(shè)備，典型代表是無人機航測測圖系統(tǒng)，例如大疆精靈4 RTK［8］、大疆DJI-P1［9］等設(shè)備，本文選擇像素更高、更加新穎的DJI-P1作為該類型的代表?；诩す饫走_的以GPS技術(shù)為核心的移動式測繪設(shè)備，其系統(tǒng)建圖精度依賴于激光雷達的測距精度，例如數(shù)字綠土公司無人機式激光雷達掃描系統(tǒng)LiAir 250 Pro［10］采用Riegl miniVUX-3 UAV機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達，毫米級測距精度，但是價格昂貴，性價比較低；車載式移動測繪系統(tǒng)LiMobile［11］，由于露天礦道路凹凸不平，車輛抖動問題嚴(yán)重，影響建圖精度，同時道路會因采礦爆破任務(wù)受阻，無法進行測量任務(wù)。因此，本文選取價格較低、性價較高、更加新穎的DJI-L1［12］無人機式三維激光掃描測量系統(tǒng)作為代表，其采用新型固態(tài)激光雷達，具有厘米級的建圖精度。以SLAM技術(shù)為核心的移動式測繪設(shè)備，例如礦冶集團手持式三維激光測量系統(tǒng)BLSS-HL、無人機式三維激光測量系統(tǒng)BLSS-FL、飛馬公司手持式三維激光測量系統(tǒng)SLAM100［13］、英國手持式三維激光測量系統(tǒng)GEOSLAM［14］、澳大利亞手持式三維激光測量系統(tǒng)Hovermap［15］，以上設(shè)備均為厘米級建圖精度且數(shù)據(jù)采集流程較為一致，因此，本文選取礦冶集團手持式和無人機式的三維激光掃描測量系統(tǒng)作為代表。

綜上所述，本文選取五款具有代表性的高精度快速測繪設(shè)備進行對比試驗。

2.2 BLSS-HP固定式三維激光掃描系統(tǒng)采集

固定式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HP主要由固定式掃描主機、三腳架及手機端采集軟件構(gòu)成，如圖2（a）所示，BLSS-HP掃描流程較為簡單，將手機端通過無線方式連接至固定式掃描主機，在手機軟件端進行掃描參數(shù)設(shè)置，例如水平方向掃描分辨率和豎直方向掃描分辨率等，軟件端根據(jù)掃描參數(shù)能夠預(yù)估單站掃描時間。固定式三維激光掃描系統(tǒng)通常掃描半徑約為1～2 km。單站掃描全局三維激光點云地圖如圖2（b）所示，局部三維激光點云地圖如圖2（c）所示，可以清晰看出標(biāo)志牌上“無人駕駛”字樣，表明BLSS-HP生成的三維激光點云精度較高，但是會存在部分點云數(shù)據(jù)缺失，特別是露天礦的“臺階”，如圖2（d）所示。

圖2 BLSS-HP系統(tǒng)采集Fig.2 BLSS-HP system acquisition

2.3 BLSS-HL手持式三維激光掃描系統(tǒng)采集

手持式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HL主要由移動掃描主機和平板端采集軟件構(gòu)成，如圖3（a）所示，移動掃描主機內(nèi)部集成了先進的多線激光雷達和高精度慣性測量單元，基于多傳感器融合SLAM技術(shù)，能夠在無GNSS定位信號和無光照條件下實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)測量。

BLSS-HL掃描流程較為簡單，首先將手柄和電池通過快速釋放裝置安裝到移動掃描主機上，短按掃描主機按鈕，然后打開平板電腦搜索掃描主機無線信號，打開控制及可視化軟件，設(shè)置電機轉(zhuǎn)速等掃描參數(shù)，單擊啟動掃描，此時電機開始旋轉(zhuǎn)，同時平板端軟件實時顯示被測礦體的三維激光點云數(shù)據(jù)，接下來手持BLSS-HL系統(tǒng)邊行走邊測量，行走速度約為1～2 m／s，待感興趣區(qū)域掃描完畢后，點擊停止掃描。最后將USB存儲單元插入移動掃描主機中自動拷貝激光點云數(shù)據(jù)。BLSS-HL單次獲取露天礦三維激光點云地圖如圖3（b）所示，局部激光點云地圖如圖3（c）所示。

圖3 BLSS-HL系統(tǒng)采集Fig.3 BLSS-HL system acquisition

2.4 BLSS-FL無人機式三維激光掃描系統(tǒng)采集

無人機式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-FL，如圖4（a）所示，BLSS-FL主要由大疆無人機M300RTK、移動掃描主機及平板端采集軟件構(gòu)成，其中移動掃描主機與BLSS-HL中移動掃描主機一致，BLSS-FL中移動掃描主機由無人機電池進行供電，移動掃描主機與大疆無人機M300RTK通過快速釋放裝置進行連接。BLSSFL掃描流程與BLSS-HL較為一致，邊飛行邊測量，無人機飛行速度約為4～5 m／s。BLSS-FL單次獲取露天礦三維激光點云地圖如圖4（b）所示，局部激光點云地圖如圖4（c）所示，被測礦體細(xì)節(jié)表達較為清晰。

圖4 BLSS-FL系統(tǒng)采集Fig.4 BLSS-FL system acquisition

2.5 DJI-L1無人機式三維激光掃描系統(tǒng)采集

無人機式三維激光掃描儀DJI-L1，如圖5（a）所示，DJI-L1主要由大疆無人機 M300RTK、禪思L1及大疆智圖后處理軟件DJI-terra［16］構(gòu)成，禪思L1集成固態(tài)激光雷達Livox、高精度慣導(dǎo)、測繪相機。由于該露天礦測區(qū)范圍內(nèi)最大高差近200 m，而禪思L1最佳測距范圍為100 m左右，為保證DJI-L1對所有礦體進行有效測量，首先利用DJI-P1建立露天礦整體的數(shù)字表面模型DSM，然后利用DJI-L1根據(jù)露天礦整體數(shù)字表面模型DSM進行仿地飛行，仿地飛行高度約為60 m，飛機飛行三個架次，飛行速度約為7 m／s，拍攝照片數(shù)量1 381張，DJI-L1航線飛行如圖5（b）所示，獲取原始數(shù)據(jù)量大小為32 G。后處理過程采用大疆智圖軟件進行，最終生成的真彩色三維激光點云數(shù)據(jù)如圖5（c）所示，局部真彩色三維激光點云數(shù)據(jù)如圖5（d）所示。

圖5 DJI-L1系統(tǒng)采集Fig.5 DJI-L1 system acquisition

2.6 DJI-P1無人機式航測系統(tǒng)采集

無人機式航測系統(tǒng)DJI-P1，如圖6（a）所示，DJI-P1主要由大疆無人機M300RTK、大疆全畫幅相機P1及大疆智圖后處理軟件構(gòu)成。利用DJI-P1對露天礦進行正射影像拍攝，測區(qū)面積為1 480 173 m2，飛行高度為180 m，航線長度為30 208 m，飛機飛行兩個架次，拍攝照片數(shù)量1 508張，DJI-P1航線飛行如圖6（b）所示，獲取原始數(shù)據(jù)量大小為26.8 G。后處理過程采用大疆智圖軟件進行，軟件運行環(huán)境為i9-11900 H處理器、32G內(nèi)存、GTX3060顯卡，后處理時間約7 h，最終生成的全局真彩色三維模型如圖6（c）所示，該三維模型包含較好的立面信息，細(xì)節(jié)真彩色三維模型如圖6（d）所示。

圖6 DJI-P1系統(tǒng)采集Fig.6 DJI-P1 system acquisition

3 設(shè)備對比及方案推薦

3.1 測量精度分析

首先在露天礦區(qū)范圍內(nèi)布置4個標(biāo)志牌，一個標(biāo)志牌選取兩個標(biāo)靶點，共計8個標(biāo)靶點，利用鋼尺分別對4個標(biāo)志牌上兩標(biāo)靶點間的歐式距離進行測量，將該距離視為真實值，然后分別利用固定式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HP、手持式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HL、無人機式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-FL和DJI-L1對礦區(qū)進行掃描，在各自生成的三維激光點云地圖中提取8個標(biāo)靶點坐標(biāo)，計算4個標(biāo)志牌上兩標(biāo)靶點間的歐式距離，同時本文利用GPS RTK采集8個標(biāo)靶點坐標(biāo)并計算4個標(biāo)志牌上兩標(biāo)靶點間的歐式距離，將這些距離視為估計值，將估計值與真實值作差視為各系統(tǒng)的相對測量精度。固定式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HP測量標(biāo)靶點坐標(biāo)如表1所示，手持式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HL測量標(biāo)靶點坐標(biāo)如表2所示，無人機式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-FL測量標(biāo)靶點坐標(biāo)如表3所示，無人機式三維激光掃描系統(tǒng)DJI-L1測量標(biāo)靶點坐標(biāo)如表4所示，GPS RTK獲取標(biāo)靶點坐標(biāo)如表5所示，由于各測量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的起始坐標(biāo)系不一致，因此各測量系統(tǒng)提取的標(biāo)靶點坐標(biāo)不盡相同，各系統(tǒng)相對測量精度如表6所示。DJI-P1設(shè)備經(jīng)過大疆智圖軟件處理后可以生成模型數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)，由于生成的激光點云較為稀疏，標(biāo)靶點坐標(biāo)無法準(zhǔn)確提取，因此無法實測DJI-P1設(shè)備構(gòu)建激光點云地圖的精度，其構(gòu)建的模型精度可參考官網(wǎng)，平面方向精度為3 cm，高程方向精度為5 cm［9］。

表1 BLSS-HP測量標(biāo)靶點坐標(biāo)Table 1 BLSS-HP measurement target coordinates ／m

表2 BLSS-HL測量標(biāo)靶點坐標(biāo)Table 2 BLSS-HL measurement target coordinates ／m

表3 BLSS-FL測量標(biāo)靶點坐標(biāo)Table 3 BLSS-FL measurement target coordinates ／m

表4 DJI-L1測量標(biāo)靶點坐標(biāo)Table 4 DJI-L1 measurement target coordinates ／m

表5 GPS RTK測量標(biāo)靶點坐標(biāo)Table 5 GPS RTK measurement target coordinates ／m

表6 各系統(tǒng)相對測量精度Table 6 Relative measurement accuracy of each system ／m

根據(jù)表6測量精度結(jié)果，各測量系統(tǒng)的相對測量精度由高到低依次為固定式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HP、手持式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-H L、無人機式三維激光掃描系統(tǒng)BLSSFL、GPS RTK、無人機式三維激光掃描系統(tǒng)DJI-L1。

3.2 優(yōu)劣勢分析

各測量系統(tǒng)優(yōu)劣勢分析如表7所示。

3.3 解決方案

結(jié)合表6各設(shè)備的測量精度和表7優(yōu)劣勢分析，不同測繪需求相應(yīng)測繪解決方案總結(jié)如表8所示。

另外，可融合多種設(shè)備進行高精度快速測繪，例如利用DJI-L1設(shè)備首次獲取大型露天礦三維激光點云數(shù)據(jù)，后續(xù)隨著爆破開采任務(wù)推進，利用BLSSHL或BLSS-FL設(shè)備進行局部礦體數(shù)據(jù)更新。

4 結(jié)論

大型露天礦山對于高精度快速測繪具有多樣化需求，需要不同的測繪手段，為解決該問題，本文首先根據(jù)測量原理對適合露天礦快速測繪的設(shè)備進行分類，在不同類別中選取具有代表性的設(shè)備，然后結(jié)合某大型露天礦山，系統(tǒng)性介紹各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集流程、主要輸出成果、測量精度及優(yōu)劣勢，最后針對大型露天礦山不同測繪需求提出不同的測繪解決方案。