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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(wèn)題突顯，一是測(cè)繪環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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，方量準(zhǔn)確性較低。

飛馬多旋翼無(wú)人機(jī)D200針對(duì)露天礦山的特殊地形及測(cè)繪作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？纱钶d包括正射相機(jī)、傾斜相機(jī)、三維激光LiDar等多種傳感器，同時(shí)可以適應(yīng)地形飛行，以滿足礦山測(cè)繪的不同工作需求，為礦山的測(cè)繪工作帶來(lái)新的技術(shù)手段。本案例以內(nèi)蒙古某露天煤礦為研究背景，用飛馬多旋翼無(wú)人機(jī)D200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)用于露天礦土石方量的計(jì)算。

二、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，5級(jí)風(fēng)情況下兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，研究風(fēng)力對(duì)設(shè)備系統(tǒng)誤差的影響。同時(shí)分析不同航速下獲取的點(diǎn)云精度及作業(yè)效率，分析變高飛行區(qū)與等高飛行區(qū)點(diǎn)云精度的一致性。以及獲取測(cè)區(qū)DEM）對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)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)足夠多的高精度的檢查點(diǎn)，待飛行完成后，通過(guò)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)圖的精度要求。

三、實(shí)際作業(yè)流程

1.場(chǎng)地選擇

考慮到礦區(qū)地形起伏變化、測(cè)區(qū)內(nèi)機(jī)械狀況、無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)、方便成果精度對(duì)比檢查等因素，經(jīng)綜合考慮，我們選擇以下場(chǎng)地進(jìn)行研究。

圖1 測(cè)區(qū)示意圖（1.19平方公里）

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圖2 測(cè)區(qū)示意圖（3.5平方公里）

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.數(shù)據(jù)采集與處理軟硬件配置

表1

項(xiàng)目	名稱	作用	數(shù)量
硬件	D200多旋翼無(wú)人機(jī)	作為掛載的飛行平臺(tái)	1架
正射單鏡頭相機(jī)	獲取垂直影像數(shù)據(jù)	1個(gè)
機(jī)載Lidar	獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)	1臺(tái)
工作站	用于處理無(wú)人機(jī)影像等數(shù)據(jù)	1臺(tái)
筆記本電腦	用于無(wú)人機(jī)地面站及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解算	1臺(tái)
立體測(cè)圖電腦	用于點(diǎn)云的矢量化工作	1臺(tái)
GNSS接收機(jī)	用于采集檢查點(diǎn)，進(jìn)行精度對(duì)比	1臺(tái)
作業(yè)車輛	用于運(yùn)送人員及設(shè)備	1輛
軟件	飛馬無(wú)人機(jī)管家	用于地面站控制、快拼、空三、點(diǎn)云處理等	1套
LidarFeature矢量化采集軟件	用于點(diǎn)云的矢量化工作及兩期算量	1套
Global Mapper	用于DOMDSM的瀏覽以及兩期算量	1套

3.外業(yè)檢查點(diǎn)的分布與采集

測(cè)區(qū)選好后組織人員在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)制作高精度檢查點(diǎn)標(biāo)識(shí)及采集檢查點(diǎn)坐標(biāo)。并計(jì)算測(cè)區(qū)范圍內(nèi)不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

外業(yè)檢查點(diǎn)采用RTK采集方式獲取，通過(guò)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(méi)有因?yàn)殚_(kāi)采而導(dǎo)致高程有明顯變化。具體分別位置如下圖所示。

機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用于露天礦土石方量計(jì)算及精度驗(yàn)證

圖3 四個(gè)區(qū)域布設(shè)外業(yè)檢查點(diǎn)

圖4 外業(yè)檢查點(diǎn)采集

4.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

具體內(nèi)容如下表。

表2

序號(hào)	無(wú)人機(jī)	掛載	工作內(nèi)容
1	D200	單正射相機(jī)	1.獲取測(cè)區(qū)內(nèi)DOMDSM，為變高飛行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.進(jìn)行變高飛行與等高飛行DOM的精度對(duì)比。
2	D200	機(jī)載Lidar	1.獲取測(cè)區(qū)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔1天。2.不同航速下獲取的點(diǎn)云精度及作業(yè)效率分析。3.分析變高飛行區(qū)與等高飛行區(qū)點(diǎn)云精度的一致性。4.在5級(jí)風(fēng)情況下進(jìn)行兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，研究風(fēng)力對(duì)設(shè)備系統(tǒng)誤差的影響。

本次研究?jī)?nèi)容包括垂直攝影測(cè)量、激光點(diǎn)云采集兩種采集方式。測(cè)區(qū)首先施行300米高度飛行（約6cm/px）采集正射影像，整個(gè)飛行不變高，得到精確的地形DSM；然后搭載雷達(dá)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5 地面基準(zhǔn)站任意點(diǎn)架設(shè)

圖6 正射航線規(guī)劃

圖7 正射航線三維預(yù)覽

圖8 激光雷達(dá)航線規(guī)劃

圖9 激光雷達(dá)航線三維預(yù)覽

4.1飛馬D200無(wú)人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集各架次完成情況統(tǒng)計(jì)

D200無(wú)人機(jī)在外業(yè)采集過(guò)程中，累計(jì)飛行21架次，其中各架次完成情況如下。

表3

序號(hào)	機(jī)型	日期	掛載	測(cè)試內(nèi)容	完成情況
1	D200	6月26日	單正射相機(jī)	為地形跟隨飛行提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)/影像采集	1架次
2	D200	6月26日	機(jī)載LiDAR100	五級(jí)風(fēng)力下采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)	2架次
3	D200	7月25日	單正射相機(jī)	為地形跟隨飛行提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)/影像采集	1架次
4	D200	7月26日	機(jī)載LiDAR100	8m/s低航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集	1個(gè)架次
5	D200	7月26日	機(jī)載LiDAR100	11m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集	2個(gè)架次
6	D200	7月26日	機(jī)載LiDAR100	14m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集	3個(gè)架次
7	D200	7月28日	機(jī)載LiDAR100	11m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集	1個(gè)架次
8	D200	7月28日	機(jī)載LiDAR100	14m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，不變高飛行	2個(gè)架次
9	D200	7月28日	正射相機(jī)	變高飛行采集正射影像	1個(gè)架次
10	D200	9月14日	機(jī)載LiDAR200	變高100m點(diǎn)云采集	3個(gè)架次
11	D200	9月15日	機(jī)載LiDAR200	變高150m點(diǎn)云采集（6級(jí)）	2個(gè)架次
12	D200	9月15日	機(jī)載LiDAR200	變高80m點(diǎn)云采集（6-7級(jí)）	1個(gè)架次
13	D200	9月16日	正射相機(jī)	正常飛行，影像獲取	1個(gè)架次

注：其中機(jī)載LiDAR100激光器為Velodyne Puck；機(jī)載LiDAR100激光器為RIEGL。

4.2飛馬D200無(wú)人機(jī)各架次航線參數(shù)設(shè)計(jì)及效率

架次	機(jī)型	測(cè)區(qū)面積	航時(shí)	基本參數(shù)	成果
1	D200	1.2Km²	22min	重疊度：80%/60% ，對(duì)地高度：306米，地面分辨率：6cm	241張影像
2	D200	0.587Km²	2min	重疊度：25% ，對(duì)地高度：60米，點(diǎn)云密度：57點(diǎn)/平方米	1.27億點(diǎn)
3	D200	1.686Km²	36min	重疊度：80%/60% ，對(duì)地高度：255米，地面分辨率：5cm	575張影像
4	D200	1.79Km²	35min	重疊度：30% ，對(duì)地高度：60米，點(diǎn)云密度：57點(diǎn)/平方米	3.9億點(diǎn)云
5	D200	31min	3.6億點(diǎn)云
6	D200	1.68Km²	33min	重疊度：30% ，對(duì)地高度：60米，點(diǎn)云密度：57點(diǎn)/平方米	3.7億點(diǎn)云
7	D200	17min	1.2億點(diǎn)云
8	D200	0.6Km²	19min	重疊度：30% ，對(duì)地高度：60米，點(diǎn)云密度：57點(diǎn)/平方米	1.2億點(diǎn)云
9	D200	0.144Km²	8min	重疊度：30% ，對(duì)地高度：60米，點(diǎn)云密度：57點(diǎn)/平方米	0.25億點(diǎn)云
10	D200	1.124 Km²	24min	重疊度：80%/60% ，對(duì)地高度：255米，地面分辨率：5cm	338張影像

表4

5.數(shù)據(jù)處理

5.1 Lidar內(nèi)業(yè)處理流程

（1）點(diǎn)云預(yù)處理

主要采用飛馬無(wú)人機(jī)管家進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云供點(diǎn)云后處理軟件使用。

圖10 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）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11 點(diǎn)云軌跡解算1

圖12 點(diǎn)云軌跡解算2

2）、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13 點(diǎn)云解算

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(wèn)題。

圖14 航帶平差

3）點(diǎn)云賦色

應(yīng)用測(cè)區(qū)正射影像數(shù)據(jù)，則可進(jìn)行點(diǎn)云賦色，更直觀的展示點(diǎn)云。

圖15 點(diǎn)云賦色

4)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。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。