【入圍文章·9】機載雷達應(yīng)用于露天礦測量的精度驗證—— 基于飛馬D200無人機一機多掛載飛行平臺

露天礦采場驗收測量、生產(chǎn)測量、工程測量、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)測量設(shè)備進行。其中問題突顯，一是測繪環(huán)境惡劣，現(xiàn)場開采時的揚塵影響儀器的觀測效果，二是測繪人員與機械設(shè)備在同一工作面作業(yè)，易發(fā)生危險，三是人工采集的點主要是地形變化的特征點，無法全面的反映地形的變化，內(nèi)業(yè)成圖和方量計算準(zhǔn)確性較低。四是采用無人機正射相機獲取測區(qū)DOM、DSM等在高精度空三及成果解算階段對工作站配置要求高，耗費時間長，其高程精度進行算量精度較低。

圖1 礦山測量現(xiàn)狀技術(shù)路線圖

為解決以上問題，創(chuàng)新技術(shù)手段。本案例以內(nèi)蒙古某露天煤礦為研究背景，利用多旋翼無人機搭載單正射相機、機載LiDAR傳感器獲取測量數(shù)據(jù)，驗證其點位及高程精度，進而將其應(yīng)用于露天礦地形成圖、土石方量計算等測量任務(wù)中。

1、基本情況

該地區(qū)屬典型的半干旱大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促涼爽。年平均氣溫0.9℃，極端最高氣溫39.3℃，極端最低氣溫-39.4℃。測區(qū)內(nèi)大型運輸機械較多、粉塵等有毒氣體較多，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，測量人員安全得不到保障。測區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，具有露天礦區(qū)的一般代表性。

綜合以上情況分析，所選實驗設(shè)備應(yīng)具備以下性能：

1）飛行平臺動力系統(tǒng)須能在-20℃左右完成飛行任務(wù)。

2）飛行平臺須具備免相控功能。

3）飛行平臺須具備精準(zhǔn)變高飛行功能。

4）飛行平臺須具備一機多掛載功能，以實現(xiàn)多種載荷配合使用。

5）飛行平臺須具有較高效率。

6）為保證飛行過程的安全，飛控系統(tǒng)與飛行平臺須為同一廠家。

7）飛行平臺及掛載可以購買機身保險及第三者責(zé)任險。

經(jīng)過市場調(diào)研、產(chǎn)品比對。我們選擇飛馬D200作為此次實驗設(shè)備。

2、飛馬D200產(chǎn)品

飛馬D200是一款基于高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統(tǒng)。起飛重量8-9kg，最大載重2.5kg，單架次海平面懸停時間48min，飛行器上傳感器采取了多路冗余設(shè)計，保障飛行作業(yè)安全可靠。D200飛行平臺可搭載兩軸增穩(wěn)云臺的單相機正射載荷、五相機傾斜攝影載荷或搭載高精度LiDAR模塊，配備的無人機管家提供點云高精度解算、設(shè)備檢校、點云平差、海量數(shù)據(jù)快速瀏覽等完整LiDAR處理流程。此次實驗的LiDAR模塊分別為D-LiDAR100和D-LiDAR200；

本案例的技術(shù)路線是飛馬D200多旋翼無人機掛載單正射相機、機載LiDAR（單正射相機可快速獲取測區(qū)內(nèi)DOM、DSM，為變高飛行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機載LiDAR獲取測區(qū)兩期點云數(shù)據(jù)，時間間隔1天。同時分析不同航速下獲取的點云精度及作業(yè)效率，獲取測區(qū)DEM）對測區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理最終生成DOM、DSM、DEM及DLG等成果，用于精度分析及實用性研究。事先在測區(qū)內(nèi)布設(shè)足夠多的高精度檢查點，待飛行完成后，通過對比相應(yīng)檢查點及地物特征點的平面和高程差異來評定無人機的航測精度是否滿足大比例尺測圖和方量計算的精度要求。

圖2 技術(shù)路線圖

1、測區(qū)選擇

圖3 測區(qū)示意圖

分別選擇面積1.19平方公里和3.5平方公里的兩個區(qū)域，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。

2、外業(yè)檢查點的分布與采集

外業(yè)檢查點采用RTK采集方式獲取。

圖4 外業(yè)檢查點布設(shè)與采集

3、使用無人機對測區(qū)進行不同掛載傳感器采集數(shù)據(jù)工作

本次研究內(nèi)容包括無人機低空攝影測量、機載LiDAR點云測量兩種測量方式。首先在測區(qū)范圍300米高度飛行（平均GSD 6cm）采集正射影像，整個飛行不變高，得到精確的地形DSM，用作變高航線設(shè)計的參考地形；其后搭載LiDAR模塊自適應(yīng)地形飛行，分別保持對地60米高度和100米高度進行點云數(shù)據(jù)采集。

圖5正射航線三維預(yù)覽（等高）

圖6 激光雷達航線三維預(yù)覽（變高）

本次研究數(shù)據(jù)，在多種環(huán)境下采集：8m/s低航速下點云數(shù)據(jù)采集；五級風(fēng)力下采集點云數(shù)據(jù)；11m/s正常航速下點云數(shù)據(jù)采集；14m/s正常航速下點云數(shù)據(jù)采集；變高飛行采集正射影像。D200無人機在外業(yè)采集過程中，累計飛行21架次。

4、數(shù)據(jù)處理           

圖7點云預(yù)處理流程圖

圖8點云后處理流程圖

LiDARFeature點云矢量化采集軟件可對點云數(shù)據(jù)進行坡頂、坡底線采集，生成高精度符合礦山測繪要求的DLG矢量數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)模型，并可對兩期DEM數(shù)據(jù)對比，進行兩期方量計算。

圖9 矢量化后坡坎線圖

圖10 通過點云矢量化得到的DLG線劃圖

圖11  土方石量計算圖

5、精度分析

1）精度要求指標(biāo)

（1）平面精度

（2）高程精度

圖根點相對于圖根起算點的高程中誤差：不應(yīng)大于0.05m；

高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差：不應(yīng)大于0.15m。

2）飛馬D-LiDAR100精度檢查

本次精度驗證用RTK共采集114個檢查點。

（1）對兩期點云生成的DSM進行單點高程精度檢查

分別在不同高程面采集地形無變化的外業(yè)檢查點。通過兩期點云生成的DSM驗證相對高程精度。高程均方根誤差為0.057m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：

表2 兩期點云DSM上高程對比分析表           

圖12  第一期DSM                   圖13  第二期DSM

（2）點云生成DSM與RTK測點進行精度對比

采用RTK對外業(yè)檢查點進行測量，獲取準(zhǔn)確高程值，用來檢查點云的絕對高程精度情況。

點云數(shù)據(jù)與檢查點對比分析。點云中的點恰好與檢查點重合的可能性很小，因此選擇地勢平坦的檢查點（RTK實測共86個）與各自鄰近的點云數(shù)據(jù)進行對比分析，高程均方根誤差為0.09m。2號檢查點與鄰近點云數(shù)據(jù)分析圖如下： 

表3：2號檢查點與鄰近點云數(shù)據(jù)對比分析表

圖14 點云第一架次2號點到鄰近點的平面距離

將外業(yè)RTK實測點導(dǎo)入點云生成的DSM，與之對比，檢查其對應(yīng)高程的絕對精度，高程均方根誤差為0.098m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表。

表4 DSM高程與RTK實測高程數(shù)據(jù)對比表

圖15部分點位檢查點分布圖

3）飛馬D-LiDAR200精度檢查

（1）點云系統(tǒng)誤差分析

飛馬D-LiDAR200點云各航帶重疊范圍內(nèi)點云精度對比。在各航帶內(nèi)分別采集10個航帶間重疊點，檢驗同一架次間各航帶重疊范圍內(nèi)的精度情況。共采集了106個點。高程均方根誤差為0.036m。部分?jǐn)?shù)據(jù)見下表：

表5各航帶重疊范圍內(nèi)精度對比分析表

圖16  獲取的點云數(shù)據(jù)航帶重疊圖

（2）點云生成DSM與RTK測點進行精度對比

選擇地勢平坦的檢查點（RKT實測共94個）與鄰近的點云數(shù)據(jù)進行對比分析，高程均方根誤差為0.068m。6號檢查點與鄰近點云數(shù)據(jù)分析圖如下：

表6  6號檢查點與鄰近點云數(shù)據(jù)對比分析表

圖17  6號點到鄰近點的平面距離

飛馬D-LiDAR200點云（DSM）高程精度與RTK實測點高程精度對比。本次共采集了104個檢查點，其中四個為檢查站的4個角點。高程上均方根誤差為0.075m。部分檢查點分布圖如下。

表7  DSM高程與RTK實測高程數(shù)據(jù)對比表

圖18部分點位檢查點分布圖

6、精度驗證結(jié)論

通過以上實驗數(shù)據(jù)得到：飛馬D-LiDAR100獲取數(shù)據(jù)的相對高程精度為0.057m，點云數(shù)據(jù)與RTK實測檢查點對比分析絕對高程精度為0.09m，點云生成的DSM與RTK實測檢查點對比分析絕對高程精度為0.098m。飛馬D-LiDAR200獲取數(shù)據(jù)的相對高程精度為0.036m，點云數(shù)據(jù)與RTK實測檢查點對比分析絕對高程精度為0.068m，點云生成的DSM與RTK實測檢查點對比分析絕對高程精度為0.075m。

分析結(jié)果可知：D200無人機搭載LiDAR模塊及其配套軟件進行地形成圖、土石方量計算等，精度滿足生產(chǎn)需求。

礦山測量的首要任務(wù)就是要高效、準(zhǔn)確、安全的獲取礦山開采的高程變化量。為采挖設(shè)計、經(jīng)濟算量等提供詳實可靠的一手?jǐn)?shù)據(jù)。隨著我國采挖技術(shù)的提高，采挖機械的現(xiàn)代化，礦山開采量的變化也越來越快，如何保證測量數(shù)據(jù)的及時性、可靠性，給現(xiàn)代礦山測量手段提出了新的要求。

無人機技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是免像控、免標(biāo)靶、機載雷達的出現(xiàn)，使得外業(yè)數(shù)據(jù)的采集手段得到了極大的改變，無論從生產(chǎn)效率以及數(shù)據(jù)的可靠性都得到了顯著的提高。從礦山傳統(tǒng)測量到半自動化測量的轉(zhuǎn)變，飛馬多旋翼無人機D200搭載機載LiDAR傳感器很好的解決了這一問題。通過此次實驗，我們總結(jié)出：

無人機搭載LiDAR模塊及其配套軟件進行半自動化測量、土石方量計算，精度完全滿足生產(chǎn)需求。

實驗中，我們深入的了解到飛馬D200多旋翼無人機的各項優(yōu)勢。其完善的安全保障，獨特的設(shè)計，人性化的設(shè)計理念等技術(shù)非常適合露天礦測量技術(shù)的革新?，F(xiàn)將此次實驗中飛馬D200獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢總結(jié)如下：

1、飛馬D200可采用變高飛行，保證自身與這種起伏地形之間的相對航高始終保持一致，使點云的精度和密度都具有一致性。

2、飛馬無人機管家智航線模塊根據(jù)不同的傳感器可適配不同的作業(yè)應(yīng)用模式，可生成精準(zhǔn)地形跟隨飛行方案和航線。

3、飛馬D200掛載LiDAR傳感器，可24小時全天候工作。并且全自動航線設(shè)計以及免像控、20公里長航程、智能電池較其他無人機使用的鋰電池性能上有優(yōu)勢明顯。

4、飛馬D200作為一機多掛載平臺?？梢源钶d單正射相機、傾斜相機和雷達等多種傳感器。

5、飛馬D200搭載LiDAR傳感器獲取的點云數(shù)據(jù)，其精度完全滿足礦區(qū)土石方量計算的精度要求；獲取的全要素數(shù)據(jù)模擬真實地形程度是全站儀、RTK無法比擬的。

6、采用RTK測量數(shù)據(jù)時，不能保證每次測量時測桿都與地面保持垂直狀態(tài)。此外測桿插進松土中情況時有發(fā)生，并且不能保證將所有的地形點測全。飛馬D200搭載LiDAR傳感器則完全可避免以上情況的發(fā)生。

此次實驗非常感謝深圳飛馬機器人廠家的大力支持及配合，衷心希望我國的無人機技術(shù)能一直走在世界前列，同時希望更多的露天礦測量同行都能應(yīng)用到先進的測量技術(shù)，讓我們的工作更加的安全，高效！