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、測量數據不完整及后處理時間長等問題，同時單點測量數據無法表達露天邊坡全局和局部細節(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、攝影測量技術、同步定位與建圖技術［2］（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）及無人機技術發(fā)展，許多非接觸式高精度快速測繪設備進入礦山領域，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域的高精度快速測繪設備，大體分為三類，分別是固定式三維激光掃描儀、以GPS技術為核心的移動式測繪設備、以SLAM技術為核心的移動式測繪設備。

一些學者利用高精度快速測繪設備對露天礦進行數據采集、數據處理及數據應用，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據實現(xiàn)巖石結構面參數識別和提取；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據進行三維建模。但是，眾多學者往往利用單一的高精度快速測繪設備在露天礦山進行數據采集、數據處理和數據應用，沒有對多種高精度快速測繪設備進行對比分析，例如比較不同測繪設備的測量精度、不同測繪設備的適用環(huán)境、不同測繪設備的優(yōu)缺點等。

基于以上情況，本文首先根據測量原理對適合露天礦快速測繪的設備進行分類，在不同類別中選取具有代表性的設備，然后結合某大型露天礦山，系統(tǒng)性介紹各個設備的數據采集流程、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 數據采集

2.1 高精度快速測繪設備選型

根據測繪原理，現(xiàn)階段露天礦領域的高精度快速測繪設備主要分為三類：固定式三維激光掃描儀、以GPS技術為核心的移動式測繪系統(tǒng)、以SLAM技術為核心的移動式測繪系統(tǒng)。當前以GPS技術、SLAM技術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技術的移動式測繪系統(tǒng)尚不成熟，無法進入實際應用階段。

不同廠商的固定式三維激光掃描儀測量精度相當，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技術為核心的移動式測繪設備，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技術為核心的移動式測繪設備，其系統(tǒng)建圖精度依賴于激光雷達的測距精度，例如數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，車輛抖動問題嚴重，影響建圖精度，同時道路會因采礦爆破任務受阻，無法進行測量任務。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技術為核心的移動式測繪設備，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］，以上設備均為厘米級建圖精度且數據采集流程較為一致，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設置，例如水平方向掃描分辨率和豎直方向掃描分辨率等，軟件端根據掃描參數能夠預估單站掃描時間。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據缺失，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成，如圖3（a）所示，移動掃描主機內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，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，設置電機轉速等掃描參數，單擊啟動掃描，此時電機開始旋轉，同時平板端軟件實時顯示被測礦體的三維激光點云數據，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據。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］構成，禪思L1集成固態(tài)激光雷達Livox、高精度慣導、測繪相機。由于該露天礦測區(qū)范圍內最大高差近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字表面模型DSM，然后利用DJI-L1根據露天礦整體數字表面模型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，拍攝照片數量1 381張，DJI-L1航線飛行如圖5（b）所示，獲取原始數據量大小為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據如圖5（c）所示，局部真彩色三維激光點云數據如圖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，拍攝照片數量1 508張，DJI-P1航線飛行如圖6（b）所示，獲取原始數據量大小為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)范圍內布置4個標志牌，一個標志牌選取兩個標靶點，共計8個標靶點，利用鋼尺分別對4個標志牌上兩標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個標靶點坐標，計算4個標志牌上兩標靶點間的歐式距離，同時本文利用GPS RTK采集8個標靶點坐標并計算4個標志牌上兩標靶點間的歐式距離，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測量標靶點坐標如表1所示，手持式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-HL測量標靶點坐標如表2所示，無人機式三維激光掃描系統(tǒng)BLSS-FL測量標靶點坐標如表3所示，無人機式三維激光掃描系統(tǒng)DJI-L1測量標靶點坐標如表4所示，GPS RTK獲取標靶點坐標如表5所示，由于各測量系統(tǒng)輸出數據的起始坐標系不一致，因此各測量系統(tǒng)提取的標靶點坐標不盡相同，各系統(tǒng)相對測量精度如表6所示。DJI-P1設備經過大疆智圖軟件處理后可以生成模型數據和激光點云數據，由于生成的激光點云較為稀疏，標靶點坐標無法準確提取，因此無法實測DJI-P1設備構建激光點云地圖的精度，其構建的模型精度可參考官網，平面方向精度為3 cm，高程方向精度為5 cm［9］。

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

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

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

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

表5 GPS RTK測量標靶點坐標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

根據表6測量精度結果，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

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

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

4 結論

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，本文首先根據測量原理對適合露天礦快速測繪的設備進行分類，在不同類別中選取具有代表性的設備，然后結合某大型露天礦山，系統(tǒng)性介紹各個設備的數據采集流程、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。