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 式測量完成礦區(qū)所有范圍的采場及排土場區(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，其次，測繪期間大型設(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繪計量方式提高測繪生產(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)用在露天礦測測繪中，提高了測 繪的效率;徐陽亮[2]以洞庭湖攝區(qū)為例，分析了 LI- DAR 點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)精度，證實(shí)了 LI- DAR 點(diǎn)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(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 計算采剝量。
為此，基于無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測量技術(shù)以 其非接觸測量的技術(shù)特點(diǎn)，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(jìn)入礦坑區(qū)域的 工作時間，提高測繪人員的安全性，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)測量技術(shù)
機(jī)載激光雷達(dá)簡稱機(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]。可以利用返回的脈沖可獲取探測目標(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)域觀測點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)。
按其功 能分主要有 2 大類：①測深機(jī)載 LiDAR(或稱海測型 LiDAR)，主要用于海底地形測量;②地形測量機(jī)載 LiDAR(或稱陸測型 LiDAR)，正廣泛應(yīng)用于各個領(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)測繪手段不可替代 的獨(dú)特優(yōu)勢。尤其對于一些測圖困難區(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))。通過測量載體在慣性 參考系的加速度，將它對時間進(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)激光掃描測距模塊。獲取激光發(fā)射點(diǎn)至地面測 量點(diǎn)之前的距離。4)工作平臺。工作平臺采用智能無人機(jī)飛行平臺， 智能無人機(jī)平臺具有安全性強(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，通過回波訊號來精準(zhǔn)檢測距離和平面高 度，從而進(jìn)行三維立體構(gòu)圖[6]。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;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(jī)機(jī)載雷達(dá)測繪優(yōu)勢
1)主動式測繪方式。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過發(fā) 射激光脈沖獲取測繪目標(biāo)返回來的信號得到測繪目 標(biāo)的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這種主動式測繪方式的優(yōu) 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(jī)載激光雷達(dá) 技術(shù)通過無人機(jī)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(yè)工作量，保證人員安全作業(yè)。無人 機(jī)作為平臺，可以探測很多較為危險的區(qū)域，在一定 程度上保障作業(yè)的安全性。
3)對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(qū)的真實(shí)地形數(shù)據(jù)。對于揚(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 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(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 芒來露天礦智能測繪系統(tǒng)
無人機(jī)露天 礦智能測繪主要按照“測區(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)飛行平臺采集采坑數(shù)據(jù)，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(jìn)行實(shí)時差分定位，確保數(shù)據(jù)的采集精度 滿足后期驗(yàn)量需求。
2.3 測區(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。 涉及測區(qū)面積共計 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)距離地面的相對航高保持一個穩(wěn)定值，同時 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)計是制作高質(zhì)量影像圖的關(guān)鍵，航線需 要根據(jù)測區(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)啟動時間，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 時長，落在 GPS 基站的接收的時間段中。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，只需使基站和無人 機(jī)接收同組衛(wèi)星信號即可。
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， 需要先對測區(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 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)同時在接收衛(wèi)星信號。軌跡解算的目的，是利 用 GPS 基站的差分?jǐn)?shù)據(jù)對無人機(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)行采剝量計算。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采剝量計算，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 計算。通過多期數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計算，對比分析礦區(qū)的 采剝量，輸出采剝量差值報告。計算采剝量，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， 可以很方便地計算出所選區(qū)域的體積，并且計算的精度高、速度快[8]。
測繪論文范例： 數(shù)字化測繪技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用
3 結(jié) 語
介紹了露天礦智能測繪與精準(zhǔn)算量技術(shù)在芒來 露天礦的應(yīng)用露天礦智能測繪與精準(zhǔn)計量體系的建立，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。露天 礦智能測繪和精準(zhǔn)計量系統(tǒng)的應(yīng)用，極大提高了生 產(chǎn)效率、降低人員安全風(fēng)險、提高成果精度、可以在 實(shí)現(xiàn)成果多樣性、直觀性的同時，減少生產(chǎn)浪費(fèi)。在 三維空間平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行礦區(qū)建模、采剝量計算，使 計算結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)表格記錄測量點(diǎn)的 方式向三維模型存儲測量數(shù)據(jù)的方式轉(zhuǎn)變。提高測 繪計量獲取數(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。
參考文獻(xiàn)：
[1] 朱海斌，王妍，李亞梅.基于無人機(jī)的露天礦區(qū)測繪研 究[J].煤炭工程，2018，50(10)：162-166.
[2] 徐陽亮.基于 LIDAR 技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及精度分析 ——以洞庭湖攝區(qū)為例[J].資源信息與工程，2018，33 (5)：122-123.
[3] 李國元.對地觀測衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)處理方法與工程 實(shí)踐[J].測繪學(xué)報，2018(12):1691.
[4] 孫淑麗，賈俊紅.LiDAR 技術(shù)及在管道測量中的優(yōu)勢[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2011(18)：65-66.
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