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飞马智能航测/遥感系统D200 LiDAR露天矿山测量解决方案

2018-08-29 09:04 性质：转载作者：飞马机器人来源：飞马机器人

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一、矿山测量简介矿山测量是矿山企业生产建设的基础工作，其不但为矿山生产建设服务，还要为安全生产提供信息，以供领导对安全生...

一、矿山测量简介

矿山测量是矿山企业生产建设的基础工作，其不但为矿山生产建设服务，还要为安全生产提供信息，以供领导对安全生产做出决策，矿山测量的任何疏忽或粗率都会影响生产或有可能导致严重事故发生。因此，矿山测量在矿山开采中的责任与作用都是很大的。

露天矿山在设计、开采以及后期地质环境恢复治理过程中，都需要进行大量测绘工作，主要包括矿区控制测量、地形测量、开采储量检测、边坡稳定性监测、方量测量等。传统测量方式是作业人员利用全站仪、RTK等传统测绘设备采集矿区内大量高程数据信息，该方式不但效率低，还存在以下问题:，一是测绘环境恶劣，现场开采时的扬尘影响仪器的观测效果，二是测绘人员与机械设备在同一工作面作业，易发生危险，三是人工采集的点主要是地形变化的特征点，无法全面的反映地形的变化，使得地形测量精度不一致，方量统计准确性较低。

传统方法测量难度大、效率低时，就需要引入测绘新方法、新技术，以提高测量工作效率，降低劳动强度，建立安全高效的生产模式。飞马多旋翼平台D200搭载LiDAR模块，则可有效解决上述问题，为矿山的测绘工作带来新的技术手段。

二、D200系统参数

1、飞行平台参数

空机重量：6.5kg

起飞重量：7.5kg

对称电机轴距：988mm

外形尺寸：展开 830×732×378mm

折叠955×362×378mm

续航时间：48min（单架次海平面悬停时间）

巡航速度：36~54km/h

最大爬升速度：10m/s

最大下降速度：8m/s

悬停精度RTK:水平1cm+1ppm；垂直2cm+1ppm

实用升限高度：4500（海拔）

抗风能力：5级（正常作业）

任务响应时间：展开≤10min，撤收≤15min

测控半径：5km

起降方式：无遥控器垂直起降

工作温度：-20~50°C

外包装箱尺寸：1038×475×366.5mm

2、双频GPS导航模块参数

导航卫星：GPS：L1+L2

BeiDou：B1+B2

GLONASS：L1+L2

采样频率：20Hz

定位精度:5cm

差分模式：PPK/RTK及其融合作业模式

3、D-LiDAR100模块参数

激光器：Velodyne Puck

线数：16

波长：903nm

精度：±3cm

测距：100m

回波数量：2

点数：300k pts/s (单回波)

600k pts/s (双回波)

垂直测角：30°(+15°~-15°)

垂直角分辨率：2°

水平测角：360°

水平角分辨率：0.1°~0.4°

旋转频率：5Hz~20Hz

重量：830g

4、D200在露天矿山测量中的优势

※ 主动式测量，高程精度高，可24小时不间断工作

激光雷达技术为主动式测量，可24小时不间断作业，受天气环境影响较小，阴天夜间均可进行作业。且激光点云可穿透树木植被，准确获取地面高程，且点密度高，较传统采用人工量测，精度更均匀可靠。

※ 平面、高程精度可达10cm

D-LiDAR100模块内置高精度差分GNSS板卡，高精度IMU模块，且采用紧耦合差分解算算法，实现点云平面、高程精度在10cm以内，满足工程测量需求。

※ 精准地形跟随飞行功能

配合无人机管家专业版软件，D200可精准跟随地形的起伏实现变高飞行，有效解决LiDAR测量距离限制并保障影像分辨率或LiDAR点云密度一致性。

※ 一站式软硬件解决方案

支持从精准三维航线规划、点云数据获取、三维实时飞行监控、到点云轨迹解算，点云平差解算到标准点云成果输出的软硬件一体化解决方案。

※ 可无缝对接点云处理软件，快速生成标准地形成果

飞马输出的标准点云可直接进入煤航点云处理软件、Terrasolid等点云处理软件，经自动滤波算法和少量人工编辑即可完成标准地形成果的输出，避免中间过程繁琐带来的精度损失。

三、矿山测量应用案例

1、测区状况

内蒙某矿区测绘的主要工作是测量矿区地形，获取矿区准确高程信息，用来核算矿区出矿的填挖方量,其对绝对精度（与真实地形对比），相对精度（两期地形的对比）均有严格要求。

图1：矿区现场照片

根据矿山测量需求，采用D200搭载激光雷达模块进行地形数据的获取，并设计实施方案如下：

（1）利用D200搭载Sony ILCE-6000正射模块飞行，快速获取作业区域DSM成果，用作航线设计变高飞行的精准地形参考。

（2）利用D200搭载D-LiDAR100模块，采用自适应地形飞行，对同一地区，不同时段进行飞行，获取两期点云数据。

（3）分别对两组点云数据进行处理，最终输出测区两期DEM成果。

（4）通过野外实测点对两期点云成果进行精度评价，查看是否满足矿山测量需求。

2、技术指标

※ 定位基准

（1）坐标系统：北京54国家坐标系

（2）高程基准：1985国家高程基准

（3）投影方法：高斯-克吕格3度带正形投影，中央子午线为120°E

※ 精度指标

（1）平面精度

（2）高程精度

A、图根点相对于图根起算点的高程中误差：不应大于0.05m；

B、高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差：不应大于0.17m。

3、工作流程

（1）作业场地选择

综合考虑矿区的地形的起伏变化、测区内的机械状况、无人机的优势特点及方便成果精度的对比检查等因素，我们选择以下场地进行测试研究。该测区1.19平方公里，测区内地形起伏变化较大，且该区域风力较大，具有露天矿区的一般代表性。

图2：测区示意图

（2）外业检查点采集

外业检查点采用RTK采集方式获取，通过连接连续运行参考站（CORS），在固定解状态下采集检查点，分别分布在不同的高程梯面上，且没有因为开采而导致高程有明显变化。具体分别位置如下图所示。

图3：外业检查点分布图

图4：外业检查点采集

（3）预扫地形获取

由于矿坑高差较大，为保证地形精度，须采用变高飞行；因已有地形数据没有矿坑精准的地形数据，为保证飞行安全；在变高飞行前，需要相对准确的地形数据，因此采用D200 挂载正射相机，进行测区快速DEM数据的获取，飞行高度300m，获取6cm影像，经快速DSM处理功能获得测区相对准确的DSM地形成果。

图5：预扫DSM成果

（4）变高LiDAR航线设计

将预扫获取的测区准确的地形数据导入进行变高航线的设计，在地形起伏大的区域生成变高点，最终保持点云密度的一致性。本次飞行设计航线高度60m，点云密度每平方57个点。

图6：D200 LiDAR变高航线规划

图7：D200 LiDAR 变高航线三维预览

（5）现场飞行

基准站架设在任意点位上，通过网络连接用户单位的CORS站，采集基站准确坐标，飞机具备RTK/PPK融合差分作业模式，可获取高精度POS数据。

D200搭载D-LiDAR100模块自适应地形飞行，保持对地高度60米，采集激光点云数据。飞行完毕后，连接飞机，下载飞机记录数据、照片数据、点云数据等，以备内业数据处理。

图8：地面基准站任意架设

（6）LiDAR点云解算及预处理

主要采用飞马无人机管家进行点云的预处理，输出标准点云对接到点云后处理软件使用。“智激光”是一款配合飞马无人机激光雷达的一站式数据处理软件，能够基于无人机激光雷达获取的距离、位置、姿态等原始数据生成满足设计精度的点云数据，包括海量点云组织管理、点云数据解算，设备检校，航带平差，海量点云可视化，标准点云输出等功能。

图9：智激光软件界面

点云轨迹解算：采用Smart GNSS模块进行GPS/IMU的联合解算，解算出点云的轨迹文件

图10：点云轨迹计算

点云解算：采用智激光模块进行点云数据解算，基于原始点云数据和轨迹文件计算输出标准化点云成果。

图11：点云数据解算

按照航带进行渲染，检查航带接边误差，若大于阈值，则进行面片提取，并自动进行航带平差。由下图可知此次数据航带间不存在明显接变问题。

图12：航带间接边检查

点云赋色：若有测区正射影像数据，则可进行点云的RGB赋色，更直观的展示点云。

图13：点云赋色功能

图14：点云RGB纹理显示

点云坐标变换：由于目标坐标系为地方坐标系（北京54），而点云默认解算为WGS84坐标系，因此采用七参数进行坐标转换。

首先进行七参数计算，利用测区内几个已知点84坐标和54坐标，进行七参数计算。

然后采用该参数进行点云数据投影变换，转换为矿区坐标系。

图15：点云坐标转换

消除冗余：航带间点云重叠较多大时，由于靠近航带边缘的点云精度稍差，因此可采用消除冗余功能进行航带间重叠点云的剔除。

图16：消除航带间冗余（蓝色为冗余点云）

（7）LiDAR点云后处理

采用LiDAR_DP点云后处理软件进行。LiDAR 点云数据处理系统（LiDAR-DP），是一款由西安煤航技术发展研究院研发，具有完全自主知识产权的机载LiDAR数据处理软件。该系统以机载LiDAR点云为主要数据源，对数据进行工程化管理、多视图浏览、自动化算法辅助的交互式分类编辑和地物信息提取，最终生成DSM/DEM、等高线等基础数字产品，为LiDAR点云数据的后处理工作提供了一套完整高效的解决方案。

采用LiDAR DP软件，经点云分块、点云去噪、自动滤波等处理功能，可输出标准DEM地形成果。主要作业流程截图如下：

图17：大数据量点云分块

图18：点云自动分类

图19：点云编辑及DEM成果输出

（8）基于点云采集DLG

LiDAR Feature为宏图创展开发的一款点云矢量化采集软件，该软件主要用于在LiDAR数据上人工采集矢量数据，并附带提供了LiDAR数据的切割、合并、分类等功能。使用该软件可以很方便地完成矢量要素的采集，适用于测绘、城市勘测设计、水利、林业等诸多领域。而在矿山测量中，该软件可以根据点云数据便捷的进行坡顶、坡底线的采集，便于生成高精度，同时符合矿山测绘要求的DEM数据模型，用于露天矿的开采与核算。

图20：LiDAR Feature点云矢量化软件界面

图21：基于点云进行坎线采集

图22：基于点云采集的DLG成果

（9）土方量计算

两期地形成果输出后，即可进行两期地形的土方量统计。计算两期方量的基本原理如下图所示：

图23：土方量计算

以高程0值为参考面，给定作业范围，分别计算第一期和第二期体积总量，两期数据相减计算两期的开挖量。

4、精度检查

通过对同一范围、短时间内的两次机载雷达扫描，从单点、DSM成果、土方量等几个方面验证飞马D200无人机点云精度的可靠性和其系统误差。由于两次飞行时间间隔较近，因此测区内的车辆、机械、人员等可视为无变化，在方量统计中忽略不计。

另矿区所处位置为草原地貌，其地势平坦，对风力的阻力较小，因此5级风在该地区较为常见。同时露天矿的特殊地形，容易引起坑下的风力乱流，这些都给无人机飞行姿态带来了影响。因此研究风力对设备系统误差的影响非常重要。

（1）绝对精度检查

采用外业RTK采集的检查点进行两期点云绝对精度的检查。

使用GPS RTK设备连接该测区CORS站作为差分源，在RTK控制手薄的软件中采用控制点测量方法，对外业检查点逐个进行测量，获取准确平面坐标及高程坐标，用来检查航测的绝对高程精度情况。

图24：外业检查点的分布情况

由下表可以看出，两期点云高程中误差分别为3.7cm，3.0cm，最大残差分别为13.4cm，12.2cm，满足两倍中误差精度要求。由此可知LiDAR获取的地形数据高程精度满足1：500地形图的精度需求。

表1·精度统计表：（m）

（2）基于两次点云生成的DSM，平均间隔50米提取高程点，比较两次点云航测间的高程精度。

首先利用两个架次的激光雷达点云成果生成DSM，然后间隔50米在DSM上采集高程。通过对比点位高程精度分析两次高程相对精度情况。

图25：在测区范围内均匀选点

图26：从两架次DSM中平均间隔50米提取的高程点

图27：25、26号点因落在移动地物上产生的错误

图28：精度统计分布状况

（3）选取测区范围内无人员、机械影响的区域进行方量对比

利用同一无人机、同一航线规划的两次扫描激光点云成果生成DSM，将两架次的DSM叠加在一起，通过选取测区范围内没有移动的人员、机械等会对土方量统计带来影响位置，来对比相同区域内的土方量的相对误差，从而来评判无人机激光扫描的高程精度的对比情况。

图29：不同高程面均匀分布检查区域

图30：方量对比结果

5、总结

由此次测试，我们可以看到，飞马D200搭载D-LiDAR100模块进行露天矿山测量作业,相对精度、绝对精度均在10cm以内，可以满足矿山测量大比例尺高精度矿山测量需求。D200飞行姿态平稳，在矿区五级大风情况下，仍能有效获取高精度激光点云数据，且其具备的精准地形跟随功能对于地形变化大的矿山区域，也更加适用，能有效保障点云数据的密度、精度的一致性。D200又具备操作简单，携带方便，受环境限制较小，能够随时随地开展作业等诸多优势，因此相较于传统测量来说，用作矿山的日常检测，时效性好，精度也更高，能够极大提高矿山测量的作业效率，同时也保障了作业人员的安全。

四、D-LiDAR200模块即将推出

为满足更多的应用场景，D-IDAR200模块即将推出，D-IDAR200模块采用RIEGL mini VUX-1UAV激光器，具备更强的测距及穿透能力，可以更好的满足高精度测量需求。