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投稿单位：内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司
投稿人：张琦、王庆海、尹宝田
一、项目背景
露天矿采场验收测量、生产测量、工程测量、矿图绘制等需要外业数据采集的工作以往全是利用全站仪、RTK等传统测量设备进行。其中问题突显，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，内业成图和方量计算准确性较低。四是采用无人机正射相机获取测区DOM、DSM等在高精度空三及成果解算阶段对工作站配置要求高，耗费时间长，其高程精度进行算量精度较低。
图1 矿山测量现状技术路线图
为解决以上问题，创新技术手段。本案例以内蒙古某露天煤矿为研究背景，利用多旋翼无人机搭载单正射相机、机载LiDAR传感器获取测量数据，验证其点位及高程精度，进而将其应用于露天矿地形成图、土石方量计算等测量任务中。
二、实验设备选择
1、基本情况
该地区属典型的半干旱大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季短促凉爽。年平均气温0.9℃，极端最高气温39.3℃，极端最低气温-39.4℃。测区内大型运输机械较多、粉尘等有毒气体较多，滑坡等地质灾害时有发生，测量人员安全得不到保障。测区内地形起伏变化较大，具有露天矿区的一般代表性。
综合以上情况分析，所选实验设备应具备以下性能：
1）飞行平台动力系统须能在-20℃左右完成飞行任务。
2）飞行平台须具备免相控功能。
3）飞行平台须具备精准变高飞行功能。
4）飞行平台须具备一机多挂载功能，以实现多种载荷配合使用。
5）飞行平台须具有较高效率。
6）为保证飞行过程的安全，飞控系统与飞行平台须为同一厂家。
7）飞行平台及挂载可以购买机身保险及第三者责任险。
经过市场调研、产品比对。我们选择飞马D200作为此次实验设备。
2、飞马D200产品
飞马D200是一款基于高性能旋翼平台的一体化高精度航测无人机系统。起飞重量8-9kg，最大载重2.5kg，单架次海平面悬停时间48min，飞行器上传感器采取了多路冗余设计，保障飞行作业安全可靠。D200飞行平台可搭载两轴增稳云台的单相机正射载荷、五相机倾斜摄影载荷或搭载高精度LiDAR模块，配备的无人机管家提供点云高精度解算、设备检校、点云平差、海量数据快速浏览等完整LiDAR处理流程。此次实验的LiDAR模块分别为D-LiDAR100和D-LiDAR200；
三、技术路线
本案例的技术路线是飞马D200多旋翼无人机挂载单正射相机、机载LiDAR（单正射相机可快速获取测区内DOM、DSM，为变高飞行提供基础数据。机载LiDAR获取测区两期点云数据，时间间隔1天。同时分析不同航速下获取的点云精度及作业效率，获取测区DEM）对测区进行数据采集，通过数据处理最终生成DOM、DSM、DEM及DLG等成果，用于精度分析及实用性研究。事先在测区内布设足够多的高精度检查点，待飞行完成后，通过对比相应检查点及地物特征点的平面和高程差异来评定无人机的航测精度是否满足大比例尺测图和方量计算的精度要求。
图2 技术路线图
四、实际作业流程
1、测区选择
图3 测区示意图
分别选择面积1.19平方公里和3.5平方公里的两个区域，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。
2、外业检查点的分布与采集
外业检查点采用RTK采集方式获取。
图4 外业检查点布设与采集
3、使用无人机对测区进行不同挂载传感器采集数据工作
本次研究内容包括无人机低空摄影测量、机载LiDAR点云测量两种测量方式。首先在测区范围300米高度飞行（平均GSD 6cm）采集正射影像，整个飞行不变高，得到精确的地形DSM，用作变高航线设计的参考地形；其后搭载LiDAR模块自适应地形飞行，分别保持对地60米高度和100米高度进行点云数据采集。
图5正射航线三维预览（等高）
图6 激光雷达航线三维预览（变高）
本次研究数据，在多种环境下采集：8m/s低航速下点云数据采集；五级风力下采集点云数据；11m/s正常航速下点云数据采集；14m/s正常航速下点云数据采集；变高飞行采集正射影像。D200无人机在外业采集过程中，累计飞行21架次。
4、数据处理
图7点云预处理流程图
图8点云后处理流程图
LiDARFeature点云矢量化采集软件可对点云数据进行坡顶、坡底线采集，生成高精度符合矿山测绘要求的DLG矢量数据和DEM数据模型，并可对两期DEM数据对比，进行两期方量计算。
图9 矢量化后坡坎线图
图10 通过点云矢量化得到的DLG线划图
图11 土方石量计算图
5、精度分析
1）精度要求指标
（1）平面精度
（2）高程精度
图根点相对于图根起算点的高程中误差：不应大于0.05m；
高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差：不应大于0.15m。
2）飞马D-LiDAR100精度检查
本次精度验证用RTK共采集114个检查点。
（1）对两期点云生成的DSM进行单点高程精度检查
分别在不同高程面采集地形无变化的外业检查点。通过两期点云生成的DSM验证相对高程精度。高程均方根误差为0.057m。部分数据见下表：
表2 两期点云DSM上高程对比分析表
图12 第一期DSM 图13 第二期DSM
（2）点云生成DSM与RTK测点进行精度对比
采用RTK对外业检查点进行测量，获取准确高程值，用来检查点云的绝对高程精度情况。
点云数据与检查点对比分析。点云中的点恰好与检查点重合的可能性很小，因此选择地势平坦的检查点（RTK实测共86个）与各自邻近的点云数据进行对比分析，高程均方根误差为0.09m。2号检查点与邻近点云数据分析图如下：
表3：2号检查点与邻近点云数据对比分析表
图14 点云第一架次2号点到邻近点的平面距离
将外业RTK实测点导入点云生成的DSM，与之对比，检查其对应高程的绝对精度，高程均方根误差为0.098m。部分数据见下表。
表4 DSM高程与RTK实测高程数据对比表
图15部分点位检查点分布图
3）飞马D-LiDAR200精度检查
（1）点云系统误差分析
飞马D-LiDAR200点云各航带重叠范围内点云精度对比。在各航带内分别采集10个航带间重叠点，检验同一架次间各航带重叠范围内的精度情况。共采集了106个点。高程均方根误差为0.036m。部分数据见下表：
表5各航带重叠范围内精度对比分析表
图16 获取的点云数据航带重叠图
（2）点云生成DSM与RTK测点进行精度对比
选择地势平坦的检查点（RKT实测共94个）与邻近的点云数据进行对比分析，高程均方根误差为0.068m。6号检查点与邻近点云数据分析图如下：
表6 6号检查点与邻近点云数据对比分析表
图17 6号点到邻近点的平面距离
飞马D-LiDAR200点云（DSM）高程精度与RTK实测点高程精度对比。本次共采集了104个检查点，其中四个为检查站的4个角点。高程上均方根误差为0.075m。部分检查点分布图如下。
表7 DSM高程与RTK实测高程数据对比表
图18部分点位检查点分布图
6、精度验证结论
通过以上实验数据得到：飞马D-LiDAR100获取数据的相对高程精度为0.057m，点云数据与RTK实测检查点对比分析绝对高程精度为0.09m，点云生成的DSM与RTK实测检查点对比分析绝对高程精度为0.098m。飞马D-LiDAR200获取数据的相对高程精度为0.036m，点云数据与RTK实测检查点对比分析绝对高程精度为0.068m，点云生成的DSM与RTK实测检查点对比分析绝对高程精度为0.075m。
分析结果可知：D200无人机搭载LiDAR模块及其配套软件进行地形成图、土石方量计算等，精度满足生产需求。
五、项目特点及优势总结
矿山测量的首要任务就是要高效、准确、安全的获取矿山开采的高程变化量。为采挖设计、经济算量等提供详实可靠的一手数据。随着我国采挖技术的提高，采挖机械的现代化，矿山开采量的变化也越来越快，如何保证测量数据的及时性、可靠性，给现代矿山测量手段提出了新的要求。
无人机技术的出现，尤其是免像控、免标靶、机载雷达的出现，使得外业数据的采集手段得到了极大的改变，无论从生产效率以及数据的可靠性都得到了显著的提高。从矿山传统测量到半自动化测量的转变，飞马多旋翼无人机D200搭载机载LiDAR传感器很好的解决了这一问题。通过此次实验，我们总结出：
无人机搭载LiDAR模块及其配套软件进行半自动化测量、土石方量计算，精度完全满足生产需求。
实验中，我们深入的了解到飞马D200多旋翼无人机的各项优势。其完善的安全保障，独特的设计，人性化的设计理念等技术非常适合露天矿测量技术的革新。现将此次实验中飞马D200获取数据的优势总结如下：
1、飞马D200可采用变高飞行，保证自身与这种起伏地形之间的相对航高始终保持一致，使点云的精度和密度都具有一致性。
2、飞马无人机管家智航线模块根据不同的传感器可适配不同的作业应用模式，可生成精准地形跟随飞行方案和航线。
3、飞马D200挂载LiDAR传感器，可24小时全天候工作。并且全自动航线设计以及免像控、20公里长航程、智能电池较其他无人机使用的锂电池性能上有优势明显。
4、飞马D200作为一机多挂载平台。可以搭载单正射相机、倾斜相机和雷达等多种传感器。
5、飞马D200搭载LiDAR传感器获取的点云数据，其精度完全满足矿区土石方量计算的精度要求；获取的全要素数据模拟真实地形程度是全站仪、RTK无法比拟的。
6、采用RTK测量数据时，不能保证每次测量时测杆都与地面保持垂直状态。此外测杆插进松土中情况时有发生，并且不能保证将所有的地形点测全。飞马D200搭载LiDAR传感器则完全可避免以上情况的发生。
此次实验非常感谢深圳飞马机器人厂家的大力支持及配合，衷心希望我国的无人机技术能一直走在世界前列，同时希望更多的露天矿测量同行都能应用到先进的测量技术，让我们的工作更加的安全，高效！
