露天礦智能測繪與精準算量技術在芒來露天礦的應用

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有限公司，內蒙古 錫林郭勒盟 011300；2.北京龍睿海拓科技發展有限責任公司，北京 100071）

傳統的露天礦驗量方式以GPS 結合全站儀模式進行數據采集，作業過程中需要將人送至工作面、叫停作業設備、步行采集特征點，采用人工徒步的方式測量完成礦區所有范圍的采場及排土場區域地形，并利用CASS 完成特征線構建、特征點提取等工作。在長期實踐過程中，發現傳統驗量方法存在許多問題，首先，在此種作業過程中存在邊幫落石傷人、交通事故等風險，其次，測繪期間大型設備暫停作業也無形中造成了經濟損失，影響礦區生產效率；再者，測量精度、數據密度低，不僅無法全面反映采剝工程量，還無法滿足數字化礦山及智慧化礦山建設對空間地理信息數據的要求；人為選擇的特征點，只應用于采剝量計算，數據復用率低。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效率。近年來無人機載激光雷達在各行業的應用正處于不斷的研究與實踐當中。朱海斌[1]等人，將搭載攝影設備的無人機應用在露天礦測測繪中，提高了測繪的效率；徐陽亮[2]以洞庭湖攝區為例，分析了LIDAR 點云的數據采集方式和數據精度，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 技術在各行業進行了應用。但目前尚無人將無人機機載雷達數據采集手段和新型的基于三維數據的算量手段進行相結合計算采剝量。為此，基于無人機機載雷達測量技術以其非接觸測量的技術特點，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域的工作時間，提高測繪人員的安全性，并且確保得到礦區全面完整的符合工程要求的高精度的三維數據信息為后期精準計量工程量提供準確完整的數據支撐，從而有效提高算量精度[1]。

1 機載激光雷達測量技術

機載激光雷達簡稱機載LiDAR，是一種集激光、全球定位系統和慣性導航系統3 種技術于一身的空間測量系統[2]，它集成了GNSS、IMU、激光掃描儀等光譜成像設備[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，最后經過綜合處理而得到地面區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），正廣泛應用于各個領域，在高精度三維地形數據（數字高程模型（DEM））的快速、準確提取方面，具有傳統測繪手段不可替代的獨特優勢。尤其對于一些測圖困難區域的高精度DEM 數據的獲取，LiDAR 的技術優勢更為明顯。

1.1 機載雷達構成

機載LIDAR 的系統組成主要包括：

1）GPS 導航模塊。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（慣性導航系統）。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，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、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勢

1）主動式測繪方式。機載激光雷達技術通過發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據，這種主動式測繪方式的優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工作量，保證人員安全作業。無人機作為平臺，可以探測很多較為危險的區域，在一定程度上保障作業的安全性。

3）對植被有一定的穿透力。機載激光雷達技術發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，獲取森林地區的真實地形數據。對于揚塵，機載雷達也有一定的穿透，能夠獲取底層地面數據[7]。

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

2 芒來露天礦智能測繪與精準算量

2.1 芒來露天礦礦區概況

芒來露天礦位于內蒙古錫林郭勒盟白音烏拉礦區，總體規劃10.0 萬t/a，一期規模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

智能測繪系統技術路線圖如圖2，無人機露天礦智能測繪主要按照“測區規劃-外業數據采集-內業數據處理-精度檢核”的流程開展工作，本次應用研究中，采用智能無人機飛行平臺采集采坑數據，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，確保數據的采集精度滿足后期驗量需求。

圖2 智能測繪系統技術路線圖

2.3 測區規劃

利用智能無人機進行數據采集前，根據芒來露天礦礦區的具體情況，以及礦區生產實際精度要求情況，制定飛行方案，從而使獲取的激光雷達數據符合礦區實際生產應用要求的精度。

涉及測區面積共計1.5 km2，因為采集數據位于礦坑采區，最高點與最低點高差約100 m，這樣的高差為點云數據獲取增加了很大的難度，如按照統一航高規劃飛行，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定值，同時獲取的點云數據的精度和密度也保持了一致。

航線設計是制作高質量影像圖的關鍵，航線需要根據測區的幾何形態與空間環境，規劃飛行航線和飛行參數，在采集區域設定獲取數據的參數要求，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。航線規劃的主要參數為：點密度18 點/m3；點云重疊度50%；航高100 m；海拔高942 m。

2.4 外業數據采集

1）基站架設。在礦區已知控制點上架設GPS 設備，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，保證無人機接收衛星的時長，落在GPS 基站的接收的時間段中。基站與無人機建立聯系，為無人機數據采集提供導航文件。實現數據的差分結算，保障數據精度，減少現場鋪設控制點等工作。由于采用的是PPK 無人機，只需要架設基站即可，不需要再架設電臺，只需使基站和無人機接收同組衛星信號即可。

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，需要先對測區進行定高飛行，制作DEM。在航線規劃模塊中，基于高精度實景三維地形選擇需要進行采集的區域，根據露天礦礦坑的幾何形態與空間環境，規劃飛行航線和飛行參數，在采集區域設定獲取數據的參數要求，即可自動生成最佳的飛行方案。數據采集完畢后，經解算生成礦區的點云數據。基于點云數據，快速處理出DEM（一次做出采剝區的DEM，可以多次使用），為無人機下次變高飛行做底圖。

3）變高數據獲取。根據平飛生成的高精度DEM的幾何形態與空間環境，規劃飛行航線和飛行參數，在采集區域設定獲取數據的參數要求，即可自動生成最佳的飛行方案。變高航線主要參數為：點密度18 點/m3；重疊度50%；行高70 m。參數設置完成后，啟動無人機進行數據采集。

4）七參數轉換點采集。由于GPS 基站和無人機接收的數據是WGS-84 坐標，而礦區生產數據都是采用的北京54 坐標。為了將成果轉換為北京54 坐標系，需要經在礦區采集一些轉換點，進行參數計算。坐標轉換點需要均勻分布在礦區的周圍，并且同時采集其WGS-84 橢球坐標和礦區平面坐標。

2.5 數據處理

在內業數據處理中，使用諾瓦泰軟件對無人機進行軌跡解算，云數據解算完畢之后，就需要對點云進行處理，得到礦區各部門可以使用的數據格式。

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

2）點云解算。基于高精度的無人機軌跡文件，將雷達數據進行解算。根據軌跡文件提供的高精度位置信息，結合激光雷達獲取的距離、角度等信息，聯合結算高精度高密度的點云數據。

2.6 精度分析

將采集的檢查點輸入到點云數據之中，查看檢查點和點云數據的重合度，并且對點云數據進行剖切，比較檢查點和點云的差距。檢查點和點云數據重疊，說明點云數據滿足精度要求。另外，需要從點云中提取一些坐標點，根據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。經檢查數據點位中誤差均小于2 cm，符合工程精度要求。

2.7 精準驗量

外業點云數據采集完畢之后，即可轉移到內業進行采剝量計算。基于點云數據進行采剝量計算，將三維點云數據進行過濾，減少噪點，處理后的點云數據使用三維可視化的算量工具進行擬合與構網，建立采剝三角網格模型，并利用網格模型進行工程量計算。通過多期數據進行差值計算，對比分析礦區的采剝量，輸出采剝量差值報告。計算采剝量，必須有兩期數據，即需要兩期數據在同一環境下進行疊加，然后進行比較，最終得到該區域的填挖方量結果：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據建立三維模型，可以很方便地計算出所選區域的體積，并且計算的精度高、速度快[8]。

3 結語

介紹了露天礦智能測繪與精準算量技術在芒來露天礦的應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工作，解決露天礦實際生產中的困難，指導露天礦生產活動。露天礦智能測繪和精準計量系統的應用，極大提高了生產效率、降低人員安全風險、提高成果精度、可以在實現成果多樣性、直觀性的同時，減少生產浪費。在三維空間平臺基礎上進行礦區建模、采剝量計算，使計算結果直觀、準確，實現從傳統表格記錄測量點的方式向三維模型存儲測量數據的方式轉變。提高測繪計量獲取數據的智能化水平，實現數據的智能、全面化采集，提高數據的利用率。