無人機載三維激光掃描技術在露天礦山測量中的應用

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合研究中心； 3.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司)

引 言

露天礦山測量工作的主要目的是獲取地質地形數據并為地質勘探、儲量計算及采礦設計提供基礎數據[1-2]。露天礦山生產過程中，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折點坐標，進而來表征露天礦山特征，測量精度低、表征數據量較少，以此構建的三維模型準確性低且主觀性大，嚴重影響成果質量[7-9]。另外，由于露天礦山采場范圍大，生產效率高，測量任務勢必十分繁重，傳統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據信息，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開展露天礦山測量工作十分必要。三維激光掃描技術的出現從根本上改變了大家對于礦山測量的認知，彌補了傳統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可實現露天礦山的實景復制測量，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作為三維激光掃描技術與無人機技術的深度結合,進一步拓展了三維激光掃描技術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備性能要求較高等特點，該項技術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據[10-18]。

某露天礦山礦區范圍為標準山地地形，地勢起伏較大，露天境界設計底部標高-498 m，露天開采境界范圍內最大落差近500 m，設計最終邊坡角為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對其采場范圍進行了精細化掃描測量工作，構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上進行了礦山收方應用，快速獲得了該礦山多期爆破后的礦石量變化情況，為礦山生產計劃的及時調整和儲量動態管理提供了高精度原始數據，提高了露天礦山的技術管理水平。

1 無人機載三維激光掃描測量系統

無人機載三維激光掃描測量系統整體包含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、長續航曜宇Yunux-Long無人機，空載續航時間為2 h，負載8 kg情況下續航時間約為1 h。無人機操作系統通過無線基站與無人機飛行平臺建立連接，最遠監測距離為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，適用于植被茂密區域的地形測量。無人機載三維激光掃描測量系統組成如圖1所示。

圖1 無人機載三維激光掃描測量系統組成

2 數據采集及三維建模

2.1 外業數據采集

根據露天采場現場情況，本次研究選定實際掃描范圍約為長1 600 m，寬1 600 m，設置飛行高度相對掃描范圍內最高處約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可覆蓋的測區范圍如圖2所示。

圖2 無人機載三維激光掃描測量系統可覆蓋的測區范圍

2.2 數據解算處理

通過現場數據采集得到原始格式的測區三維點云數據文件，由于測量系統采用的是WGS84坐標系統，而礦山制圖一般采用的是西安80或國家2000坐標系統，因而借助配套的數據解算軟件執行坐標系統轉換及三維點云數據融合等操作，得到露天采場在國家2000坐標系統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，按照點云濾波、去噪、抽稀及構建DTM網格的一般建模流程構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，導致掃描數據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據使用的效果，有必要針對現場掃描獲得的數據進行精度驗證。為此，本文從2個角度對現場掃描的數據精度進行分析：一是基于三維點云數據本身的區域性偏差分析；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 區域性偏差分析

現場掃描獲得的露天采場三維點云數據經解算融合后將得到與實際露天采場形態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合，得到復合模型(如圖6-a)所示)，通過區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據(如圖6-b)所示)。

圖6 掃描三維點云與實體模型的區域性偏差分析

由圖6-b)的分析結果可知，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據與基于RTK測量得到的露天采場三維模型進行復合，得到復合模型(如圖7所示)。按照圖7中預設的2條剖面線切割復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據分別擬合得到如圖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合圖

圖8 典型剖面相似性分析

經過以上2個角度的分析，該無人機載三維激光掃描測量系統掃描精度較高，相對測量精度優于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先后2次對該露天采場北部某區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合

5 結 論

1)采用無人機載三維激光掃描測量系統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，并以此為基礎建立了露天采場三維實體模型。

2)分別采用區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掃描數據的準確性，結果表明該系統相對測量精度優于5 cm。

3)基于驗證后的無人機載三維激光掃描測量系統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，彌補傳統測量方式存在的不足，對于推動露天礦山測量工作的發展具有重要意義。