【入圍文章·9】機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用于露天礦測量的精度驗(yàn)證—— 基于飛馬D200無人機(jī)一機(jī)多掛載飛行平臺

露天礦采場驗(yàn)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(jìn)行。其中問題突顯，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，內(nèi)業(yè)成圖和方量計(jì)算準(zhǔn)確性較低。四是采用無人機(jī)正射相機(jī)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(fèi)時(shí)間長，其高程精度進(jìn)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(jī)搭載單正射相機(jī)、機(jī)載LiDAR傳感器獲取測量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其點(diǎn)位及高程精度，進(jìn)而將其應(yīng)用于露天礦地形成圖、土石方量計(jì)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(yùn)輸機(jī)械較多、粉塵等有毒氣體較多，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)多掛載功能，以實(shí)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(jī)身保險(xiǎn)及第三者責(zé)任險(xiǎn)。

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(shí)驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)。起飛重量8-9kg，最大載重2.5kg，單架次海平面懸停時(shí)間48min，飛行器上傳感器采取了多路冗余設(shè)計(jì)，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(jī)正射載荷、五相機(jī)傾斜攝影載荷或搭載高精度LiDAR模塊，配備的無人機(jī)管家提供點(diǎn)云高精度解算、設(shè)備檢校、點(diǎn)云平差、海量數(shù)據(jù)快速瀏覽等完整LiDAR處理流程。此次實(shí)驗(yàn)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(jī)掛載單正射相機(jī)、機(jī)載LiDAR（單正射相機(jī)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(jī)載LiDAR獲取測區(qū)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔1天。同時(shí)分析不同航速下獲取的點(diǎn)云精度及作業(yè)效率，獲取測區(qū)DEM）對測區(qū)進(jìn)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(shí)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(diǎn)，待飛行完成后，通過對比相應(yīng)檢查點(diǎn)及地物特征點(diǎn)的平面和高程差異來評定無人機(jī)的航測精度是否滿足大比例尺測圖和方量計(jì)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(gè)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(diǎn)的分布與采集

外業(yè)檢查點(diǎn)采用RTK采集方式獲取。

圖4 外業(yè)檢查點(diǎn)布設(shè)與采集

3、使用無人機(jī)對測區(qū)進(jìn)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(jī)低空攝影測量、機(jī)載LiDAR點(diǎn)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(gè)飛行不變高，得到精確的地形DSM，用作變高航線設(shè)計(jì)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(jìn)行點(diǎn)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(dá)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(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；五級風(fēng)力下采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；11m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；14m/s正常航速下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；變高飛行采集正射影像。D200無人機(jī)在外業(yè)采集過程中，累計(jì)飛行21架次。

4、數(shù)據(jù)處理           

圖7點(diǎn)云預(yù)處理流程圖

圖8點(diǎn)云后處理流程圖

LiDARFeature點(diǎn)云矢量化采集軟件可對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行兩期方量計(jì)算。

圖9 矢量化后坡坎線圖

圖10 通過點(diǎn)云矢量化得到的DLG線劃圖

圖11  土方石量計(jì)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(diǎn)相對于圖根起算點(diǎn)的高程中誤差：不應(yīng)大于0.05m；

高程注記點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)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(yàn)證用RTK共采集114個(gè)檢查點(diǎn)。

（1）對兩期點(diǎn)云生成的DSM進(jìn)行單點(diǎn)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(diǎn)。通過兩期點(diǎn)云生成的DSM驗(yàn)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(diǎn)云DSM上高程對比分析表           

圖12  第一期DSM                   圖13  第二期DSM

（2）點(diǎn)云生成DSM與RTK測點(diǎn)進(jìn)行精度對比

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

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

表3：2號檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比分析表

圖14 點(diǎn)云第一架次2號點(diǎn)到鄰近點(diǎn)的平面距離

將外業(yè)RTK實(shí)測點(diǎn)導(dǎo)入點(diǎn)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(shí)測高程數(shù)據(jù)對比表

圖15部分點(diǎn)位檢查點(diǎn)分布圖

3）飛馬D-LiDAR200精度檢查

（1）點(diǎn)云系統(tǒng)誤差分析

飛馬D-LiDAR200點(diǎn)云各航帶重疊范圍內(nèi)點(diǎn)云精度對比。在各航帶內(nèi)分別采集10個(gè)航帶間重疊點(diǎn)，檢驗(yàn)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(gè)點(diǎn)。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(diǎn)云數(shù)據(jù)航帶重疊圖

（2）點(diǎn)云生成DSM與RTK測點(diǎn)進(jìn)行精度對比

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

表6  6號檢查點(diǎn)與鄰近點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比分析表

圖17  6號點(diǎn)到鄰近點(diǎn)的平面距離

飛馬D-LiDAR200點(diǎn)云（DSM）高程精度與RTK實(shí)測點(diǎn)高程精度對比。本次共采集了104個(gè)檢查點(diǎn)，其中四個(gè)為檢查站的4個(gè)角點(diǎn)。高程上均方根誤差為0.075m。部分檢查點(diǎn)分布圖如下。

表7  DSM高程與RTK實(shí)測高程數(shù)據(jù)對比表

圖18部分點(diǎn)位檢查點(diǎn)分布圖

6、精度驗(yàn)證結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)與RTK實(shí)測檢查點(diǎn)對比分析絕對高程精度為0.09m，點(diǎn)云生成的DSM與RTK實(shí)測檢查點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)與RTK實(shí)測檢查點(diǎn)對比分析絕對高程精度為0.068m，點(diǎn)云生成的DSM與RTK實(shí)測檢查點(diǎn)對比分析絕對高程精度為0.075m。

分析結(jié)果可知：D200無人機(jī)搭載LiDAR模塊及其配套軟件進(jìn)行地形成圖、土石方量計(jì)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(jì)、經(jīng)濟(jì)算量等提供詳實(shí)可靠的一手?jǐn)?shù)據(jù)。隨著我國采挖技術(shù)的提高，采挖機(jī)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(shí)性、可靠性，給現(xiàn)代礦山測量手段提出了新的要求。

無人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是免像控、免標(biāo)靶、機(jī)載雷達(dá)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(jī)D200搭載機(jī)載LiDAR傳感器很好的解決了這一問題。通過此次實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出：

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

實(shí)驗(yàn)中，我們深入的了解到飛馬D200多旋翼無人機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)勢。其完善的安全保障，獨(dú)特的設(shè)計(jì)，人性化的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)云的精度和密度都具有一致性。

2、飛馬無人機(jī)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(shí)全天候工作。并且全自動航線設(shè)計(jì)以及免像控、20公里長航程、智能電池較其他無人機(jī)使用的鋰電池性能上有優(yōu)勢明顯。

4、飛馬D200作為一機(jī)多掛載平臺。可以搭載單正射相機(jī)、傾斜相機(jī)和雷達(dá)等多種傳感器。

5、飛馬D200搭載LiDAR傳感器獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其精度完全滿足礦區(qū)土石方量計(jì)算的精度要求；獲取的全要素?cái)?shù)據(jù)模擬真實(shí)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(shí)，不能保證每次測量時(shí)測桿都與地面保持垂直狀態(tài)。此外測桿插進(jìn)松土中情況時(shí)有發(fā)生，并且不能保證將所有的地形點(diǎn)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(shí)驗(yàn)非常感謝深圳飛馬機(jī)器人廠家的大力支持及配合，衷心希望我國的無人機(jī)技術(shù)能一直走在世界前列，同時(shí)希望更多的露天礦測量同行都能應(yīng)用到先進(jìn)的測量技術(shù)，讓我們的工作更加的安全，高效！