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設(shè)備與工具一、礦山測量簡介
礦山測量是礦山企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)工作，其不但為礦山生產(chǎn)建設(shè)服務(wù)，還要為安全生產(chǎn)提供信息，以供領(lǐng)導(dǎo)對(duì)安全生產(chǎn)做出決策，礦山測量的任何疏忽或粗率都會(huì)影響生產(chǎn)或有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。因此，礦山測量在礦山開采中的責(zé)任與作用都是很大的。
露天礦山在設(shè)計(jì)、開采以及后期地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理過程中，都需要進(jìn)行大量測繪工作，主要包括礦區(qū)控制測量、地形測量、開采儲(chǔ)量檢測、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、方量測量等。傳統(tǒng)測量方式是作業(yè)人員利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)測繪設(shè)備采集礦區(qū)內(nèi)大量高程數(shù)據(jù)信息，該方式不但效率低，還存在以下問題:，一是測繪環(huán)境惡劣，現(xiàn)場開采時(shí)的揚(yáng)塵影響儀器的觀測效果，二是測繪人員與機(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)，無法全面的反映地形的變化，使得地形測量精度不一致，方量統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性較低。
傳統(tǒng)方法測量難度大、效率低時(shí)，就需要引入測繪新方法、新技術(shù)，以提高測量工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，建立安全高效的生產(chǎn)模式。飛馬多旋翼平臺(tái)D200搭載LiDAR模塊，則可有效解決上述問題，為礦山的測繪工作帶來新的技術(shù)手段。
二、D200系統(tǒng)參數(shù)
1、飛行平臺(tái)參數(shù)
空機(jī)重量：6.5kg
起飛重量：7.5kg
對(duì)稱電機(jī)軸距：988mm
外形尺寸：展開 830×732×378mm
折疊955×362×378mm
續(xù)航時(shí)間：48min（單架次海平面懸停時(shí)間）
巡航速度：36~54km/h
最大爬升速度：10m/s
最大下降速度：8m/s
懸停精度RTK:水平1cm+1ppm；垂直2cm+1ppm
實(shí)用升限高度：4500（海拔）
抗風(fēng)能力：5級(jí)（正常作業(yè)）
任務(wù)響應(yīng)時(shí)間：展開≤10min，撤收≤15min
測控半徑：5km
工作溫度：-20~50°C
外包裝箱尺寸：1038×475×366.5mm
導(dǎo)航衛(wèi)星：GPS：L1+L2
BeiDou：B1+B2
GLONASS：L1+L2
采樣頻率：20Hz
定位精度:5cm
差分模式：PPK/RTK及其融合作業(yè)模式
3、D-LiDAR100模塊參數(shù)
線數(shù)：16
波長：903nm
精度：±3cm
測距：100m
回波數(shù)量：2
點(diǎn)數(shù)：300k pts/s (單回波)
600k pts/s (雙回波)
垂直測角：30°(+15°~-15°)
垂直角分辨率：2°
水平測角：360°
水平角分辨率：0.1°~0.4°
旋轉(zhuǎn)頻率：5Hz~20Hz
重量：830g
4、D200在露天礦山測量中的優(yōu)勢
※ 主動(dòng)式測量，高程精度高，可24小時(shí)不間斷工作
激光雷達(dá)技術(shù)為主動(dòng)式測量，可24小時(shí)不間斷作業(yè)，受天氣環(huán)境影響較小，陰天夜間均可進(jìn)行作業(yè)。且激光點(diǎn)云可穿透樹木植被，準(zhǔn)確獲取地面高程，且點(diǎn)密度高，較傳統(tǒng)采用人工量測，精度更均勻可靠。
※ 平面、高程精度可達(dá)10cm
D-LiDAR100模塊內(nèi)置高精度差分GNSS板卡，高精度IMU模塊，且采用緊耦合差分解算算法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云平面、高程精度在10cm以內(nèi)，滿足工程測量需求。
※ 精準(zhǔn)地形跟隨飛行功能
配合無人機(jī)管家專業(yè)版軟件，D200可精準(zhǔn)跟隨地形的起伏實(shí)現(xiàn)變高飛行，有效解決LiDAR測量距離限制并保障影像分辨率或LiDAR點(diǎn)云密度一致性。
※ 一站式軟硬件解決方案
支持從精準(zhǔn)三維航線規(guī)劃、點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、三維實(shí)時(shí)飛行監(jiān)控、到點(diǎn)云軌跡解算，點(diǎn)云平差解算到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云成果輸出的軟硬件一體化解決方案。
※ 可無縫對(duì)接點(diǎn)云處理軟件，快速生成標(biāo)準(zhǔn)地形成果
飛馬輸出的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云可直接進(jìn)入煤航點(diǎn)云處理軟件、Terrasolid等點(diǎn)云處理軟件，經(jīng)自動(dòng)濾波算法和少量人工編輯即可完成標(biāo)準(zhǔn)地形成果的輸出，避免中間過程繁瑣帶來的精度損失。
三、礦山測量應(yīng)用案例
1、測區(qū)狀況
內(nèi)蒙某礦區(qū)測繪的主要工作是測量礦區(qū)地形，獲取礦區(qū)準(zhǔn)確高程信息，用來核算礦區(qū)出礦的填挖方量,其對(duì)絕對(duì)精度（與真實(shí)地形對(duì)比），相對(duì)精度（兩期地形的對(duì)比）均有嚴(yán)格要求。
圖1：礦區(qū)現(xiàn)場照片
根據(jù)礦山測量需求，采用D200搭載激光雷達(dá)模塊進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的獲取，并設(shè)計(jì)實(shí)施方案如下：
（1）利用D200搭載Sony ILCE-6000正射模塊飛行，快速獲取作業(yè)區(qū)域DSM成果，用作航線設(shè)計(jì)變高飛行的精準(zhǔn)地形參考。
（2）利用D200搭載D-LiDAR100模塊，采用自適應(yīng)地形飛行，對(duì)同一地區(qū)，不同時(shí)段進(jìn)行飛行，獲取兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
（3）分別對(duì)兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終輸出測區(qū)兩期DEM成果。
（4）通過野外實(shí)測點(diǎn)對(duì)兩期點(diǎn)云成果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，查看是否滿足礦山測量需求。
2、技術(shù)指標(biāo)
※ 定位基準(zhǔn)
（1）坐標(biāo)系統(tǒng)：北京54國家坐標(biāo)系
（2）高程基準(zhǔn)：1985國家高程基準(zhǔn)
（3）投影方法：高斯-克呂格3度帶正形投影，中央子午線為120°E
※ 精度指標(biāo)
（1）平面精度
（2）高程精度
A、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；
B、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0.17m。
3、工作流程
（1）作業(yè)場地選擇
綜合考慮礦區(qū)的地形的起伏變化、測區(qū)內(nèi)的機(jī)械狀況、無人機(jī)的優(yōu)勢特點(diǎn)及方便成果精度的對(duì)比檢查等因素，我們選擇以下場地進(jìn)行測試研究。該測區(qū)1.19平方公里，測區(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。
圖2：測區(qū)示意圖
（2）外業(yè)檢查點(diǎn)采集
外業(yè)檢查點(diǎn)采用RTK采集方式獲取，通過連接連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS），在固定解狀態(tài)下采集檢查點(diǎn)，分別分布在不同的高程梯面上，且沒有因?yàn)殚_采而導(dǎo)致高程有明顯變化。具體分別位置如下圖所示。
圖3：外業(yè)檢查點(diǎn)分布圖
圖4：外業(yè)檢查點(diǎn)采集
（3）預(yù)掃地形獲取
由于礦坑高差較大，為保證地形精度，須采用變高飛行；因已有地形數(shù)據(jù)沒有礦坑精準(zhǔn)的地形數(shù)據(jù)，為保證飛行安全；在變高飛行前，需要相對(duì)準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，因此采用D200 掛載正射相機(jī)，進(jìn)行測區(qū)快速DEM數(shù)據(jù)的獲取，飛行高度300m，獲取6cm影像，經(jīng)快速DSM處理功能獲得測區(qū)相對(duì)準(zhǔn)確的DSM地形成果。
圖5：預(yù)掃DSM成果
（4）變高LiDAR航線設(shè)計(jì)
將預(yù)掃獲取的測區(qū)準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)行變高航線的設(shè)計(jì)，在地形起伏大的區(qū)域生成變高點(diǎn)，最終保持點(diǎn)云密度的一致性。本次飛行設(shè)計(jì)航線高度60m，點(diǎn)云密度每平方57個(gè)點(diǎn)。
圖6：D200 LiDAR變高航線規(guī)劃
圖7：D200 LiDAR 變高航線三維預(yù)覽
（5）現(xiàn)場飛行
基準(zhǔn)站架設(shè)在任意點(diǎn)位上，通過網(wǎng)絡(luò)連接用戶單位的CORS站，采集基站準(zhǔn)確坐標(biāo)，飛機(jī)具備RTK/PPK融合差分作業(yè)模式，可獲取高精度POS數(shù)據(jù)。
D200搭載D-LiDAR100模塊自適應(yīng)地形飛行，保持對(duì)地高度60米，采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。飛行完畢后，連接飛機(jī)，下載飛機(jī)記錄數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，以備內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。
圖8：地面基準(zhǔn)站任意架設(shè)
（6）LiDAR點(diǎn)云解算及預(yù)處理
主要采用飛馬無人機(jī)管家進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云對(duì)接到點(diǎn)云后處理軟件使用。“智激光”是一款配合飛馬無人機(jī)激光雷達(dá)的一站式數(shù)據(jù)處理軟件，能夠基于無人機(jī)激光雷達(dá)獲取的距離、位置、姿態(tài)等原始數(shù)據(jù)生成滿足設(shè)計(jì)精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括海量點(diǎn)云組織管理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，設(shè)備檢校，航帶平差，海量點(diǎn)云可視化，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云輸出等功能。
圖9：智激光軟件界面
點(diǎn)云軌跡解算：采用Smart GNSS模塊進(jìn)行GPS/IMU的聯(lián)合解算，解算出點(diǎn)云的軌跡文件
圖10：點(diǎn)云軌跡計(jì)算
點(diǎn)云解算：采用智激光模塊進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，基于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和軌跡文件計(jì)算輸出標(biāo)準(zhǔn)化點(diǎn)云成果。
圖11：點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算
按照航帶進(jìn)行渲染，檢查航帶接邊誤差，若大于閾值，則進(jìn)行面片提取，并自動(dòng)進(jìn)行航帶平差。由下圖可知此次數(shù)據(jù)航帶間不存在明顯接變問題。
圖12：航帶間接邊檢查
點(diǎn)云賦色：若有測區(qū)正射影像數(shù)據(jù)，則可進(jìn)行點(diǎn)云的RGB賦色，更直觀的展示點(diǎn)云。
圖13：點(diǎn)云賦色功能
圖14：點(diǎn)云RGB紋理顯示
點(diǎn)云坐標(biāo)變換：由于目標(biāo)坐標(biāo)系為地方坐標(biāo)系（北京54），而點(diǎn)云默認(rèn)解算為WGS84坐標(biāo)系，因此采用七參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
首先進(jìn)行七參數(shù)計(jì)算，利用測區(qū)內(nèi)幾個(gè)已知點(diǎn)84坐標(biāo)和54坐標(biāo)，進(jìn)行七參數(shù)計(jì)算。
然后采用該參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影變換，轉(zhuǎn)換為礦區(qū)坐標(biāo)系。
圖15：點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
消除冗余：航帶間點(diǎn)云重疊較多大時(shí)，由于靠近航帶邊緣的點(diǎn)云精度稍差，因此可采用消除冗余功能進(jìn)行航帶間重疊點(diǎn)云的剔除。
圖16：消除航帶間冗余（藍(lán)色為冗余點(diǎn)云）
（7）LiDAR點(diǎn)云后處理
采用LiDAR_DP點(diǎn)云后處理軟件進(jìn)行。LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（LiDAR-DP），是一款由西安煤航技術(shù)發(fā)展研究院研發(fā)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件。該系統(tǒng)以機(jī)載LiDAR點(diǎn)云為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程化管理、多視圖瀏覽、自動(dòng)化算法輔助的交互式分類編輯和地物信息提取，最終生成DSM/DEM、等高線等基礎(chǔ)數(shù)字產(chǎn)品，為LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理工作提供了一套完整高效的解決方案。
采用LiDAR DP軟件，經(jīng)點(diǎn)云分塊、點(diǎn)云去噪、自動(dòng)濾波等處理功能，可輸出標(biāo)準(zhǔn)DEM地形成果。主要作業(yè)流程截圖如下：
圖17：大數(shù)據(jù)量點(diǎn)云分塊
圖18：點(diǎn)云自動(dòng)分類
圖19：點(diǎn)云編輯及DEM成果輸出
（8）基于點(diǎn)云采集DLG
LiDAR Feature為宏圖創(chuàng)展開發(fā)的一款點(diǎn)云矢量化采集軟件，該軟件主要用于在LiDAR數(shù)據(jù)上人工采集矢量數(shù)據(jù)，并附帶提供了LiDAR數(shù)據(jù)的切割、合并、分類等功能。使用該軟件可以很方便地完成矢量要素的采集，適用于測繪、城市勘測設(shè)計(jì)、水利、林業(yè)等諸多領(lǐng)域。而在礦山測量中，該軟件可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)便捷的進(jìn)行坡頂、坡底線的采集，便于生成高精度，同時(shí)符合礦山測繪要求的DEM數(shù)據(jù)模型，用于露天礦的開采與核算。
圖20：LiDAR Feature點(diǎn)云矢量化軟件界面
圖21：基于點(diǎn)云進(jìn)行坎線采集
圖22：基于點(diǎn)云采集的DLG成果
（9）土方量計(jì)算
兩期地形成果輸出后，即可進(jìn)行兩期地形的土方量統(tǒng)計(jì)。計(jì)算兩期方量的基本原理如下圖所示：
圖23：土方量計(jì)算
以高程0值為參考面，給定作業(yè)范圍，分別計(jì)算第一期和第二期體積總量，兩期數(shù)據(jù)相減計(jì)算兩期的開挖量。
4、精度檢查
通過對(duì)同一范圍、短時(shí)間內(nèi)的兩次機(jī)載雷達(dá)掃描，從單點(diǎn)、DSM成果、土方量等幾個(gè)方面驗(yàn)證飛馬D200無人機(jī)點(diǎn)云精度的可靠性和其系統(tǒng)誤差。由于兩次飛行時(shí)間間隔較近，因此測區(qū)內(nèi)的車輛、機(jī)械、人員等可視為無變化，在方量統(tǒng)計(jì)中忽略不計(jì)。
另礦區(qū)所處位置為草原地貌，其地勢平坦，對(duì)風(fēng)力的阻力較小，因此5級(jí)風(fēng)在該地區(qū)較為常見。同時(shí)露天礦的特殊地形，容易引起坑下的風(fēng)力亂流，這些都給無人機(jī)飛行姿態(tài)帶來了影響。因此研究風(fēng)力對(duì)設(shè)備系統(tǒng)誤差的影響非常重要。
（1）絕對(duì)精度檢查
采用外業(yè)RTK采集的檢查點(diǎn)進(jìn)行兩期點(diǎn)云絕對(duì)精度的檢查。
使用GPS RTK設(shè)備連接該測區(qū)CORS站作為差分源，在RTK控制手薄的軟件中采用控制點(diǎn)測量方法，對(duì)外業(yè)檢查點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行測量，獲取準(zhǔn)確平面坐標(biāo)及高程坐標(biāo)，用來檢查航測的絕對(duì)高程精度情況。
圖24：外業(yè)檢查點(diǎn)的分布情況
由下表可以看出，兩期點(diǎn)云高程中誤差分別為3.7cm，3.0cm，最大殘差分別為13.4cm，12.2cm，滿足兩倍中誤差精度要求。由此可知LiDAR獲取的地形數(shù)據(jù)高程精度滿足1：500地形圖的精度需求。
表1·精度統(tǒng)計(jì)表：（m）
（2）基于兩次點(diǎn)云生成的DSM，平均間隔50米提取高程點(diǎn)，比較兩次點(diǎn)云航測間的高程精度。
首先利用兩個(gè)架次的激光雷達(dá)點(diǎn)云成果生成DSM，然后間隔50米在DSM上采集高程。通過對(duì)比點(diǎn)位高程精度分析兩次高程相對(duì)精度情況。
圖25：在測區(qū)范圍內(nèi)均勻選點(diǎn)
圖26：從兩架次DSM中平均間隔50米提取的高程點(diǎn)
圖27：25、26號(hào)點(diǎn)因落在移動(dòng)地物上產(chǎn)生的錯(cuò)誤
圖28：精度統(tǒng)計(jì)分布狀況
（3）選取測區(qū)范圍內(nèi)無人員、機(jī)械影響的區(qū)域進(jìn)行方量對(duì)比
利用同一無人機(jī)、同一航線規(guī)劃的兩次掃描激光點(diǎn)云成果生成DSM，將兩架次的DSM疊加在一起，通過選取測區(qū)范圍內(nèi)沒有移動(dòng)的人員、機(jī)械等會(huì)對(duì)土方量統(tǒng)計(jì)帶來影響位置，來對(duì)比相同區(qū)域內(nèi)的土方量的相對(duì)誤差，從而來評(píng)判無人機(jī)激光掃描的高程精度的對(duì)比情況。
圖29：不同高程面均勻分布檢查區(qū)域
圖30：方量對(duì)比結(jié)果
5、總結(jié)
由此次測試，我們可以看到，飛馬D200搭載D-LiDAR100模塊進(jìn)行露天礦山測量作業(yè),相對(duì)精度、絕對(duì)精度均在10cm以內(nèi)，可以滿足礦山測量大比例尺高精度礦山測量需求。D200飛行姿態(tài)平穩(wěn)，在礦區(qū)五級(jí)大風(fēng)情況下，仍能有效獲取高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且其具備的精準(zhǔn)地形跟隨功能對(duì)于地形變化大的礦山區(qū)域，也更加適用，能有效保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度、精度的一致性。D200又具備操作簡單，攜帶方便，受環(huán)境限制較小，能夠隨時(shí)隨地開展作業(yè)等諸多優(yōu)勢，因此相較于傳統(tǒng)測量來說，用作礦山的日常檢測，時(shí)效性好，精度也更高，能夠極大提高礦山測量的作業(yè)效率，同時(shí)也保障了作業(yè)人員的安全。
四、D-LiDAR200模塊即將推出
為滿足更多的應(yīng)用場景，D-IDAR200模塊即將推出，D-IDAR200模塊采用RIEGL mini VUX-1UAV激光器，具備更強(qiáng)的測距及穿透能力，可以更好的滿足高精度測量需求。
D-IDAR200模塊參數(shù)：
激光器：RIEGL mini VUX-1UAV
線數(shù)：10-100
波長：近紅外
精度：±1cm
測距：250m
回波數(shù)量：5
垂直測角：30°(+15°~-15°)
旋轉(zhuǎn)頻率：100Hz
深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司，由IT、無人機(jī)領(lǐng)域高管及資深專家聯(lián)合創(chuàng)辦，致力于民用超小型無人機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售。
公司成立于2015年2月，注冊(cè)資金6300萬。
北京、深圳均設(shè)研發(fā)中心，近10年的無人機(jī)行業(yè)、技術(shù)積累，結(jié)合IT領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工業(yè)化制造經(jīng)驗(yàn)，飛馬機(jī)器人致力于為客戶提供便捷易用的工業(yè)級(jí)無人機(jī)及創(chuàng)新的消費(fèi)類無人機(jī)產(chǎn)品。
飛馬秉承創(chuàng)新、價(jià)值、誠信的核心價(jià)值觀，為客戶提供極佳使用體驗(yàn)、安全、技術(shù)領(lǐng)先的無人機(jī)產(chǎn)品，志在成為全球無人機(jī)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。
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