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(yàn)量方式以GPS 結(jié)合全站儀模式進(jìn)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(diǎn)，采用人工徒步的方式測(cè)量完成礦區(qū)所有范圍的采場(chǎng)及排土場(chǎng)區(qū)域地形，并利用CASS 完成特征線構(gòu)建、特征點(diǎn)提取等工作。在長(zhǎng)期實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)驗(yàn)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(xiǎn)，其次，測(cè)繪期間大型設(shè)備暫停作業(yè)也無形中造成了經(jīng)濟(jì)損失，影響礦區(qū)生產(chǎn)效率；再者，測(cè)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(duì)空間地理信息數(shù)據(jù)的要求；人為選擇的特征點(diǎn)，只應(yīng)用于采剝量計(jì)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(cè)繪計(jì)量方式提高測(cè)繪生產(chǎn)效率。近年來無人機(jī)載激光雷達(dá)在各行業(yè)的應(yīng)用正處于不斷的研究與實(shí)踐當(dāng)中。朱海斌[1]等人，將搭載攝影設(shè)備的無人機(jī)應(yīng)用在露天礦測(cè)測(cè)繪中，提高了測(cè)繪的效率；徐陽(yáng)亮[2]以洞庭湖攝區(qū)為例，分析了LIDAR 點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)精度，證實(shí)了LIDAR 點(diǎn)云精度滿足日常測(cè)繪精度要求；李國(guó)元[3]、孫淑麗[4]、杜芳[5]等人都使用LIDAR 技術(shù)在各行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用。但目前尚無人將無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)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(jìn)行相結(jié)合計(jì)算采剝量。為此，基于無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)量技術(shù)以其非接觸測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)，研究一種更加高效的露天礦測(cè)繪流程方法，降低工作人員進(jìn)入礦坑區(qū)域的工作時(shí)間，提高測(cè)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(zhǔn)計(jì)量工程量提供準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)支撐，從而有效提高算量精度[1]。

1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)簡(jiǎn)稱機(jī)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(cè)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]?？梢岳梅祷氐拿}沖可獲取探測(cè)目標(biāo)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(cè)點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)。按其功能分主要有2 大類：①測(cè)深機(jī)載LiDAR（或稱海測(cè)型LiDAR），主要用于海底地形測(cè)量；②地形測(cè)量機(jī)載LiDAR（或稱陸測(cè)型LiDAR），正廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(zhǔn)確提取方面，具有傳統(tǒng)測(cè)繪手段不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。尤其對(duì)于一些測(cè)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(shì)更為明顯。

1.1 機(jī)載雷達(dá)構(gòu)成

機(jī)載LIDAR 的系統(tǒng)組成主要包括：

1）GPS 導(dǎo)航模塊。機(jī)載GPS 接收機(jī)和地面控制站的GPS 接收及對(duì)無人機(jī)進(jìn)行差分定位[4]。

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

3）激光掃描測(cè)距模塊。獲取激光發(fā)射點(diǎn)至地面測(cè)量點(diǎn)之前的距離。

4）工作平臺(tái)。工作平臺(tái)采用智能無人機(jī)飛行平臺(tái)，智能無人機(jī)平臺(tái)具有安全性強(qiáng)、作業(yè)效率高、智能化高等特點(diǎn)。

1.2 激光雷達(dá)傳感器的工作原理

通過激光雷達(dá)傳感器，無人機(jī)可以向地面發(fā)射激光脈沖，通過回波訊號(hào)來精準(zhǔn)檢測(cè)距離和平面高度，從而進(jìn)行三維立體構(gòu)圖[6]。機(jī)載雷達(dá)原理如圖1。

圖1 機(jī)載雷達(dá)原理

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

1.2 無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)繪優(yōu)勢(shì)

1）主動(dòng)式測(cè)繪方式。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過發(fā)射激光脈沖獲取測(cè)繪目標(biāo)返回來的信號(hào)得到測(cè)繪目標(biāo)的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這種主動(dòng)式測(cè)繪方式的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)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(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過無人機(jī)平臺(tái)的飛行和激光脈沖的掃描完成探測(cè)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(shí)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(jī)作為平臺(tái)，可以探測(cè)很多較為危險(xiǎn)的區(qū)域，在一定程度上保障作業(yè)的安全性。

3）對(duì)植被有一定的穿透力。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)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(shí)地形數(shù)據(jù)。對(duì)于揚(yáng)塵，機(jī)載雷達(dá)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(jī)載激光LiDAR 所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度可以達(dá)到1～3 cm。

2 芒來露天礦智能測(cè)繪與精準(zhǔn)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(zhǎng)4.79～6.03 km，南北寬2.62～3.58 km，面積15.627 km3。礦田由22 個(gè)拐點(diǎn)組成，開采標(biāo)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(cè)繪系統(tǒng)

智能測(cè)繪系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2，無人機(jī)露天礦智能測(cè)繪主要按照“測(cè)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(jī)飛行平臺(tái)采集采坑數(shù)據(jù)，該平臺(tái)支持一鍵起飛，無需人為操控，本身加在高精度GNSS 模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位，確保數(shù)據(jù)的采集精度滿足后期驗(yàn)量需求。

圖2 智能測(cè)繪系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2.3 測(cè)區(qū)規(guī)劃

利用智能無人機(jī)進(jìn)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(shí)際精度要求情況，制定飛行方案，從而使獲取的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)符合礦區(qū)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用要求的精度。

涉及測(cè)區(qū)面積共計(jì)1.5 km2，因?yàn)椴杉瘮?shù)據(jù)位于礦坑采區(qū)，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差約100 m，這樣的高差為點(diǎn)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(diǎn)云密度和點(diǎn)云精度。為了保證獲取高精度點(diǎn)云以及點(diǎn)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(jī)距離地面的相對(duì)航高保持一個(gè)穩(wěn)定值，同時(shí)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和密度也保持了一致。

航線設(shè)計(jì)是制作高質(zhì)量影像圖的關(guān)鍵，航線需要根據(jù)測(cè)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(dòng)生成最佳的飛行方案。需要考慮飛行航高，重疊度、點(diǎn)密度等因素。航線規(guī)劃的主要參數(shù)為：點(diǎn)密度18 點(diǎn)/m3；點(diǎn)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(diǎn)上架設(shè)GPS 設(shè)備，并且GPS 要早于無人機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，即GPS 基站要遵循“早架晚收”的原則，保證無人機(jī)接收衛(wèi)星的時(shí)長(zhǎng)，落在GPS 基站的接收的時(shí)間段中。基站與無人機(jī)建立聯(lián)系，為無人機(jī)數(shù)據(jù)采集提供導(dǎo)航文件。實(shí)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(chǎng)鋪設(shè)控制點(diǎn)等工作。由于采用的是PPK 無人機(jī)，只需要架設(shè)基站即可，不需要再架設(shè)電臺(tái)，只需使基站和無人機(jī)接收同組衛(wèi)星信號(hào)即可。

2）變高DEM 制作。變高飛行需要用能反映真實(shí)地形起伏的DEM 作為地圖。所以在變高飛行之前，需要先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行定高飛行，制作DEM。在航線規(guī)劃模塊中，基于高精度實(shí)景三維地形選擇需要進(jìn)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(dòng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于點(diǎn)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(jī)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(dòng)生成最佳的飛行方案。變高航線主要參數(shù)為：點(diǎn)密度18 點(diǎn)/m3；重疊度50%；行高70 m。參數(shù)設(shè)置完成后，啟動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4）七參數(shù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)采集。由于GPS 基站和無人機(jī)接收的數(shù)據(jù)是WGS-84 坐標(biāo)，而礦區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)都是采用的北京54 坐標(biāo)。為了將成果轉(zhuǎn)換為北京54 坐標(biāo)系，需要經(jīng)在礦區(qū)采集一些轉(zhuǎn)換點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)需要均勻分布在礦區(qū)的周圍，并且同時(shí)采集其WGS-84 橢球坐標(biāo)和礦區(qū)平面坐標(biāo)。

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(duì)無人機(jī)進(jìn)行軌跡解算，云數(shù)據(jù)解算完畢之后，就需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)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(jī)同時(shí)在接收衛(wèi)星信號(hào)。軌跡解算的目的，是利用GPS 基站的差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)接收的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，獲取高精度的飛機(jī)位置軌跡。

2）點(diǎn)云解算。基于高精度的無人機(jī)軌跡文件，將雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)獲取的距離、角度等信息，聯(lián)合結(jié)算高精度高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.6 精度分析

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

2.7 精準(zhǔn)驗(yàn)量

外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢之后，即可轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)進(jìn)行采剝量計(jì)算?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采剝量計(jì)算，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，減少噪點(diǎn)，處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用三維可視化的算量工具進(jìn)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(jìn)行工程量計(jì)算。通過多期數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，對(duì)比分析礦區(qū)的采剝量，輸出采剝量差值報(bào)告。計(jì)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(jìn)行疊加，然后進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，可以很方便地計(jì)算出所選區(qū)域的體積，并且計(jì)算的精度高、速度快[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了露天礦智能測(cè)繪與精準(zhǔn)算量技術(shù)在芒來露天礦的應(yīng)用露天礦智能測(cè)繪與精準(zhǔn)計(jì)量體系的建立，有利于露天礦使用無人機(jī)開展相關(guān)工作，解決露天礦實(shí)際生產(chǎn)中的困難，指導(dǎo)露天礦生產(chǎn)活動(dòng)。露天礦智能測(cè)繪和精準(zhǔn)計(jì)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(xiǎn)、提高成果精度、可以在實(shí)現(xiàn)成果多樣性、直觀性的同時(shí)，減少生產(chǎn)浪費(fèi)。在三維空間平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行礦區(qū)建模、采剝量計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)表格記錄測(cè)量點(diǎn)的方式向三維模型存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的方式轉(zhuǎn)變。提高測(cè)繪計(jì)量獲取數(shù)據(jù)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能、全面化采集，提高數(shù)據(jù)的利用率。