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投稿單位：內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司
投稿人：張琦、王慶海、尹寶田
一、項(xiàng)目背景
露天礦采場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)量、生產(chǎn)測(cè)量、工程測(cè)量、礦圖繪制等需要外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作以往全是利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行。其中問題突顯，一是測(cè)繪環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)開采時(shí)的揚(yáng)塵影響儀器的觀測(cè)效果，二是測(cè)繪人員與機(jī)械設(shè)備在同一工作面作業(yè)，易發(fā)生危險(xiǎn)，三是人工采集的點(diǎn)主要是地形變化的特征點(diǎn)，無(wú)法全面的反映地形的變化，內(nèi)業(yè)成圖和方量計(jì)算準(zhǔn)確性較低。四是采用無(wú)人機(jī)正射相機(jī)獲取測(cè)區(qū)DOM、DSM等在高精度空三及成果解算階段對(duì)工作站配置要求高，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，其高程精度進(jìn)行算量精度較低。
圖1 礦山測(cè)量現(xiàn)狀技術(shù)路線圖
為解決以上問題，創(chuàng)新技術(shù)手段。本案例以內(nèi)蒙古某露天煤礦為研究背景，利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載單正射相機(jī)、機(jī)載LiDAR傳感器獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其點(diǎn)位及高程精度，進(jìn)而將其應(yīng)用于露天礦地形成圖、土石方量計(jì)算等測(cè)量任務(wù)中。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇
1、基本情況
該地區(qū)屬典型的半干旱大陸性氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短促?zèng)鏊?。年平均氣?.9℃，極端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-39.4℃。測(cè)區(qū)內(nèi)大型運(yùn)輸機(jī)械較多、粉塵等有毒氣體較多，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，測(cè)量人員安全得不到保障。測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，具有露天礦區(qū)的一般代表性。
綜合以上情況分析，所選實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)具備以下性能：
1）飛行平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)須能在-20℃左右完成飛行任務(wù)。
2）飛行平臺(tái)須具備免相控功能。
3）飛行平臺(tái)須具備精準(zhǔn)變高飛行功能。
4）飛行平臺(tái)須具備一機(jī)多掛載功能，以實(shí)現(xiàn)多種載荷配合使用。
5）飛行平臺(tái)須具有較高效率。
6）為保證飛行過程的安全，飛控系統(tǒng)與飛行平臺(tái)須為同一廠家。
7）飛行平臺(tái)及掛載可以購(gòu)買機(jī)身保險(xiǎn)及第三者責(zé)任險(xiǎn)。
經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研、產(chǎn)品比對(duì)。我們選擇飛馬D200作為此次實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
2、飛馬D200產(chǎn)品
飛馬D200是一款基于高性能旋翼平臺(tái)的一體化高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。起飛重量8-9kg，最大載重2.5kg，單架次海平面懸停時(shí)間48min，飛行器上傳感器采取了多路冗余設(shè)計(jì)，保障飛行作業(yè)安全可靠。D200飛行平臺(tái)可搭載兩軸增穩(wěn)云臺(tái)的單相機(jī)正射載荷、五相機(jī)傾斜攝影載荷或搭載高精度LiDAR模塊，配備的無(wú)人機(jī)管家提供點(diǎn)云高精度解算、設(shè)備檢校、點(diǎn)云平差、海量數(shù)據(jù)快速瀏覽等完整LiDAR處理流程。此次實(shí)驗(yàn)的LiDAR模塊分別為D-LiDAR100和D-LiDAR200；
三、技術(shù)路線
本案例的技術(shù)路線是飛馬D200多旋翼無(wú)人機(jī)掛載單正射相機(jī)、機(jī)載LiDAR（單正射相機(jī)可快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)DOM、DSM，為變高飛行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR獲取測(cè)區(qū)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔1天。同時(shí)分析不同航速下獲取的點(diǎn)云精度及作業(yè)效率，獲取測(cè)區(qū)DEM）對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理最終生成DOM、DSM、DEM及DLG等成果，用于精度分析及實(shí)用性研究。事先在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)足夠多的高精度檢查點(diǎn)，待飛行完成后，通過對(duì)比相應(yīng)檢查點(diǎn)及地物特征點(diǎn)的平面和高程差異來(lái)評(píng)定無(wú)人機(jī)的航測(cè)精度是否滿足大比例尺測(cè)圖和方量計(jì)算的精度要求。
圖2 技術(shù)路線圖
四、實(shí)際作業(yè)流程
1、測(cè)區(qū)選擇
圖3 測(cè)區(qū)示意圖
分別選擇面積1.19平方公里和3.5平方公里的兩個(gè)區(qū)域，測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，且該區(qū)域風(fēng)力較大，具有露天礦區(qū)的一般代表性。
2、外業(yè)檢查點(diǎn)的分布與采集
外業(yè)檢查點(diǎn)采用RTK采集方式獲取。
圖4 外業(yè)檢查點(diǎn)布設(shè)與采集
3、使用無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行不同掛載傳感器采集數(shù)據(jù)工作
本次研究?jī)?nèi)容包括無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量、機(jī)載LiDAR點(diǎn)云測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式。首先在測(cè)區(qū)范圍300米高度飛行（平均GSD 6cm）采集正射影像，整個(gè)飛行不變高，得到精確的地形DSM，用作變高航線設(shè)計(jì)的參考地形；其后搭載LiDAR模塊自適應(yīng)地形飛行，分別保持對(duì)地60米高度和100米高度進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。
圖5正射航線三維預(yù)覽（等高）
圖6 激光雷達(dá)航線三維預(yù)覽（變高）
本次研究數(shù)據(jù)，在多種環(huán)境下采集：8m/s低航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；五級(jí)風(fēng)力下采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；11m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；14m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；變高飛行采集正射影像。D200無(wú)人機(jī)在外業(yè)采集過程中，累計(jì)飛行21架次。
4、數(shù)據(jù)處理
圖7點(diǎn)云預(yù)處理流程圖
圖8點(diǎn)云后處理流程圖
LiDARFeature點(diǎn)云矢量化采集軟件可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坡頂、坡底線采集，生成高精度符合礦山測(cè)繪要求的DLG矢量數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)模型，并可對(duì)兩期DEM數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)行兩期方量計(jì)算。
圖9 矢量化后坡坎線圖
圖10 通過點(diǎn)云矢量化得到的DLG線劃圖
圖11 土方石量計(jì)算圖
5、精度分析
1）精度要求指標(biāo)
（1）平面精度
（2）高程精度
圖根點(diǎn)相對(duì)于圖根起算點(diǎn)的高程中誤差：不應(yīng)大于0.05m；
高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差：不應(yīng)大于0.15m。
2）飛馬D-LiDAR100精度檢查
本次精度驗(yàn)證用RTK共采集114個(gè)檢查點(diǎn)。
（1）對(duì)兩期點(diǎn)云生成的DSM進(jìn)行單點(diǎn)高程精度檢查
分別在不同高程面采集地形無(wú)變化的外業(yè)檢查點(diǎn)。通過兩期點(diǎn)云生成的DSM驗(yàn)證相對(duì)高程精度。高程均方根誤差為0.057m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：
表2 兩期點(diǎn)云DSM上高程對(duì)比分析表
圖12 第一期DSM 圖13 第二期DSM
（2）點(diǎn)云生成DSM與RTK測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比
采用RTK對(duì)外業(yè)檢查點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲取準(zhǔn)確高程值，用來(lái)檢查點(diǎn)云的絕對(duì)高程精度情況。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)與檢查點(diǎn)對(duì)比分析。點(diǎn)云中的點(diǎn)恰好與檢查點(diǎn)重合的可能性很小，因此選擇地勢(shì)平坦的檢查點(diǎn)（RTK實(shí)測(cè)共86個(gè)）與各自鄰近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，高程均方根誤差為0.09m。2號(hào)檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析圖如下：
表3：2號(hào)檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比分析表
圖14 點(diǎn)云第一架次2號(hào)點(diǎn)到鄰近點(diǎn)的平面距離
將外業(yè)RTK實(shí)測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入點(diǎn)云生成的DSM，與之對(duì)比，檢查其對(duì)應(yīng)高程的絕對(duì)精度，高程均方根誤差為0.098m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表。
表4 DSM高程與RTK實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)對(duì)比表
圖15部分點(diǎn)位檢查點(diǎn)分布圖
3）飛馬D-LiDAR200精度檢查
（1）點(diǎn)云系統(tǒng)誤差分析
飛馬D-LiDAR200點(diǎn)云各航帶重疊范圍內(nèi)點(diǎn)云精度對(duì)比。在各航帶內(nèi)分別采集10個(gè)航帶間重疊點(diǎn)，檢驗(yàn)同一架次間各航帶重疊范圍內(nèi)的精度情況。共采集了106個(gè)點(diǎn)。高程均方根誤差為0.036m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：
表5各航帶重疊范圍內(nèi)精度對(duì)比分析表
圖16 獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)航帶重疊圖
（2）點(diǎn)云生成DSM與RTK測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比
選擇地勢(shì)平坦的檢查點(diǎn)（RKT實(shí)測(cè)共94個(gè)）與鄰近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，高程均方根誤差為0.068m。6號(hào)檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析圖如下：
表6 6號(hào)檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比分析表
圖17 6號(hào)點(diǎn)到鄰近點(diǎn)的平面距離
飛馬D-LiDAR200點(diǎn)云（DSM）高程精度與RTK實(shí)測(cè)點(diǎn)高程精度對(duì)比。本次共采集了104個(gè)檢查點(diǎn)，其中四個(gè)為檢查站的4個(gè)角點(diǎn)。高程上均方根誤差為0.075m。部分檢查點(diǎn)分布圖如下。
表7 DSM高程與RTK實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)對(duì)比表
圖18部分點(diǎn)位檢查點(diǎn)分布圖
6、精度驗(yàn)證結(jié)論
通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：飛馬D-LiDAR100獲取數(shù)據(jù)的相對(duì)高程精度為0.057m，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RTK實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)比分析絕對(duì)高程精度為0.09m，點(diǎn)云生成的DSM與RTK實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)比分析絕對(duì)高程精度為0.098m。飛馬D-LiDAR200獲取數(shù)據(jù)的相對(duì)高程精度為0.036m，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RTK實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)比分析絕對(duì)高程精度為0.068m，點(diǎn)云生成的DSM與RTK實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)比分析絕對(duì)高程精度為0.075m。
分析結(jié)果可知：D200無(wú)人機(jī)搭載LiDAR模塊及其配套軟件進(jìn)行地形成圖、土石方量計(jì)算等，精度滿足生產(chǎn)需求。
五、項(xiàng)目特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)總結(jié)
礦山測(cè)量的首要任務(wù)就是要高效、準(zhǔn)確、安全的獲取礦山開采的高程變化量。為采挖設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)算量等提供詳實(shí)可靠的一手?jǐn)?shù)據(jù)。隨著我國(guó)采挖技術(shù)的提高，采挖機(jī)械的現(xiàn)代化，礦山開采量的變化也越來(lái)越快，如何保證測(cè)量數(shù)據(jù)的及時(shí)性、可靠性，給現(xiàn)代礦山測(cè)量手段提出了新的要求。
無(wú)人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是免像控、免標(biāo)靶、機(jī)載雷達(dá)的出現(xiàn)，使得外業(yè)數(shù)據(jù)的采集手段得到了極大的改變，無(wú)論從生產(chǎn)效率以及數(shù)據(jù)的可靠性都得到了顯著的提高。從礦山傳統(tǒng)測(cè)量到半自動(dòng)化測(cè)量的轉(zhuǎn)變，飛馬多旋翼無(wú)人機(jī)D200搭載機(jī)載LiDAR傳感器很好的解決了這一問題。通過此次實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出：
無(wú)人機(jī)搭載LiDAR模塊及其配套軟件進(jìn)行半自動(dòng)化測(cè)量、土石方量計(jì)算，精度完全滿足生產(chǎn)需求。
實(shí)驗(yàn)中，我們深入的了解到飛馬D200多旋翼無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。其完善的安全保障，獨(dú)特的設(shè)計(jì)，人性化的設(shè)計(jì)理念等技術(shù)非常適合露天礦測(cè)量技術(shù)的革新?，F(xiàn)將此次實(shí)驗(yàn)中飛馬D200獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：
1、飛馬D200可采用變高飛行，保證自身與這種起伏地形之間的相對(duì)航高始終保持一致，使點(diǎn)云的精度和密度都具有一致性。
2、飛馬無(wú)人機(jī)管家智航線模塊根據(jù)不同的傳感器可適配不同的作業(yè)應(yīng)用模式，可生成精準(zhǔn)地形跟隨飛行方案和航線。
3、飛馬D200掛載LiDAR傳感器，可24小時(shí)全天候工作。并且全自動(dòng)航線設(shè)計(jì)以及免像控、20公里長(zhǎng)航程、智能電池較其他無(wú)人機(jī)使用的鋰電池性能上有優(yōu)勢(shì)明顯。
4、飛馬D200作為一機(jī)多掛載平臺(tái)?？梢源钶d單正射相機(jī)、傾斜相機(jī)和雷達(dá)等多種傳感器。
5、飛馬D200搭載LiDAR傳感器獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其精度完全滿足礦區(qū)土石方量計(jì)算的精度要求；獲取的全要素?cái)?shù)據(jù)模擬真實(shí)地形程度是全站儀、RTK無(wú)法比擬的。
6、采用RTK測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，不能保證每次測(cè)量時(shí)測(cè)桿都與地面保持垂直狀態(tài)。此外測(cè)桿插進(jìn)松土中情況時(shí)有發(fā)生，并且不能保證將所有的地形點(diǎn)測(cè)全。飛馬D200搭載LiDAR傳感器則完全可避免以上情況的發(fā)生。
此次實(shí)驗(yàn)非常感謝深圳飛馬機(jī)器人廠家的大力支持及配合，衷心希望我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)能一直走在世界前列，同時(shí)希望更多的露天礦測(cè)量同行都能應(yīng)用到先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，讓我們的工作更加的安全，高效！
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