無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)在大型露天礦采剝量驗(yàn)收中的應(yīng)用

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（中煤平朔集團(tuán)有限公司地質(zhì)測(cè)量中心，山西 朔州 036000）

隨著我國(guó)露天礦山開(kāi)采技術(shù)的飛速發(fā)展，露天礦的開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大，由此產(chǎn)生的剝離土方量體積不斷增加，以點(diǎn)、線為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)測(cè)繪方式在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量速度、安全性及計(jì)量精度方面已不能滿足露天剝離驗(yàn)收計(jì)量工作的需要。隨著點(diǎn)云技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的不斷發(fā)展，依托航測(cè)無(wú)人機(jī)[1]、三維激光掃描儀等技術(shù)手段在露天礦進(jìn)行的采剝區(qū)域遠(yuǎn)距離現(xiàn)狀點(diǎn)云采集、礦坑地表三維模型建立、三維立體計(jì)量已成為露天礦采剝量計(jì)量管理的發(fā)展方向[2-3]。

以中煤平朔安家?guī)X露天礦采剝量驗(yàn)收工作為例，從航測(cè)無(wú)人機(jī)、三維掃描儀現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及計(jì)量方面全面闡述了無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)在露天礦采剝量驗(yàn)收工作中的應(yīng)用，為點(diǎn)云技術(shù)在露天礦的應(yīng)用推廣提供了實(shí)例。

1 設(shè)備與軟件

1）固定翼無(wú)人機(jī)。采用安行飛控虎蝠固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度1.2 m，翼展1.7 m，飛機(jī)質(zhì)量3.5 kg，機(jī)身采用EPO泡沫外殼，碳纖維骨架材料制作，最大爬升高度3 km，續(xù)航時(shí)間70～90 min，單架次作業(yè)面積15 km2，最遠(yuǎn)通訊距離20 km，抗風(fēng)能力約6級(jí)，地面最大分辨率2.5 cm2，采用手拋起飛、滑行降落操作方式，機(jī)載相機(jī)為索尼A7R單反數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)像素3 600萬(wàn)，35 mm定焦蔡司鏡頭。

2）Optech掃描儀。采用Optech Polaris三維激光掃描儀，該掃描儀最小測(cè)距≤1.5 m，最大測(cè)點(diǎn)速率≥500 000 kHz，垂直方向掃描視場(chǎng)角≥120°，水平掃描視場(chǎng)角360°，回波次數(shù)≥4次，水平角分辨率40 μrad，100 m處最小點(diǎn)間距≤4 mm，角度精度≤±80 μrad（1 sigma），100 mm處測(cè)距點(diǎn)位精度≤±8 mm（1 sigma），內(nèi)置傾斜補(bǔ)償≥10°，內(nèi)置2個(gè)500萬(wàn)像素廣角相機(jī)。

3）3D Mine 2017三維礦山軟件。該軟件是集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)管理、礦床地質(zhì)建模、構(gòu)造模型、傳統(tǒng)和現(xiàn)代地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算、露天及地下礦山采礦設(shè)計(jì)、三維建模、工程量體積計(jì)算的三維可視化軟件系統(tǒng)。2017版本軟件在原有功能的基礎(chǔ)上具備了依據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)建模功能。主要使用了3D Mine中表面模塊下的“生成DTM表面”、“體積計(jì)算”及工具模塊下的“閉合線裁剪”3個(gè)功能。

2 基于固定翼無(wú)人機(jī)及掃描儀的采剝總量計(jì)算

2.1 工作流程

采用固定翼無(wú)人機(jī)和掃描儀相結(jié)合的方法進(jìn)行露天礦采剝量驗(yàn)收測(cè)量，固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)用于月度作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)三維地形點(diǎn)云坐標(biāo)手機(jī)，掃描儀主要用于日常跟蹤、外業(yè)資料的調(diào)繪及對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的檢核，航測(cè)流程如圖1，三維掃描流程圖如圖2。

圖1 航測(cè)流程圖

2.2 固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)及數(shù)據(jù)處理

1）航線設(shè)置。研究區(qū)位于安家?guī)X露天礦外包剝離區(qū)，綜合考慮風(fēng)向及測(cè)量區(qū)域性狀等因素[4]，按照南北方向布設(shè)10條航線，航向重疊度為75%，旁向重疊度為55%，航攝比例尺約為1：500，相對(duì)航高約為350～400 m，采用定點(diǎn)曝光方式進(jìn)行攝影測(cè)量。本次航飛覆蓋面積約10.5 km2，有效面積5.5 km2。

圖2 三維掃描流程圖

2）像控點(diǎn)布設(shè)。采用RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，為了確保像控點(diǎn)的精度，根據(jù)根點(diǎn)的測(cè)量要求進(jìn)行測(cè)量。每一個(gè)像控點(diǎn)獨(dú)立地觀測(cè)2次，當(dāng)平面較差小于3 cm、高程較差小于5 cm時(shí)取平均值為像控點(diǎn)的坐標(biāo)。結(jié)合該區(qū)域地形特點(diǎn)，為了滿足大比例尺測(cè)圖精度要求，橫跨4條基線布1個(gè)控制點(diǎn)，像控點(diǎn)要選在航向及旁向6張圖像重疊范圍內(nèi)，在航線之間盡量公用。邊緣像控點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在圖廓線以外，以保證航測(cè)圖滿幅。整個(gè)測(cè)繪區(qū)域的控制點(diǎn)布設(shè)原則為：邊緣密布，測(cè)區(qū)內(nèi)部均勻布點(diǎn)，從而保證整個(gè)測(cè)區(qū)的平差及成圖精度[5]。本次共實(shí)地測(cè)量像控點(diǎn)13個(gè)，數(shù)據(jù)處理中實(shí)際采用像控點(diǎn)13個(gè)，安太堡露天礦計(jì)劃、完成與考核情況對(duì)照表見(jiàn)表1。

3）航測(cè)及數(shù)據(jù)處理。首先對(duì)航飛照片進(jìn)行整理，通過(guò)導(dǎo)入pos數(shù)據(jù)→整理pos數(shù)據(jù)→新建工程→加載照片及pos數(shù)據(jù)→設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)→初始化處理→刺像控點(diǎn)→整體優(yōu)化，最后生成點(diǎn)云[6-7]。

2.3 掃描儀日常跟蹤測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

通過(guò)設(shè)置新項(xiàng)目→設(shè)置掃描角度、測(cè)距模式及點(diǎn)密度→掃描→導(dǎo)出數(shù)據(jù)→新建數(shù)據(jù)處理任務(wù)→導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動(dòng)預(yù)處理→精配準(zhǔn)→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟，生成點(diǎn)云圖。

2.4 采剝量計(jì)算

在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)的同時(shí)，測(cè)量人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理人員、采礦計(jì)劃人員、測(cè)量員及施工方4方確認(rèn)，確定計(jì)量范圍、分界及剝離物性狀，并結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，主要調(diào)繪內(nèi)容包括作業(yè)范圍、作業(yè)隊(duì)伍、剝離物性狀，紅黏土界限，在工作面平坦位置測(cè)量部分中間點(diǎn)用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)檢核。提取計(jì)量范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)外業(yè)調(diào)繪情況，利用3D Mine工具模塊下的“閉合線裁剪”功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪存儲(chǔ)。

表1 安太堡露天礦計(jì)劃、完成與考核情況對(duì)照表

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)及掃描儀數(shù)據(jù)對(duì)上月末數(shù)據(jù)及模型進(jìn)行更新，根據(jù)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪施工范圍，利用3D Mine中表面模塊下的“體積計(jì)算”功能中的“三角網(wǎng)法”進(jìn)行體積計(jì)算[8]。

在露天礦山測(cè)量中，受露天礦開(kāi)采擾動(dòng)影響，測(cè)區(qū)地形復(fù)雜破碎，部分區(qū)域巖石陡峭、坡度大，甚至測(cè)量人員難以抵達(dá)，測(cè)量困難。使用無(wú)接觸測(cè)量模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GPS、全站儀等測(cè)量模式大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率，具有安全風(fēng)險(xiǎn)小、數(shù)據(jù)精度高、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在露天礦采剝量驗(yàn)收工作中，利用航測(cè)無(wú)人機(jī)＋三維激光掃描儀技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)采剝現(xiàn)場(chǎng)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理方式簡(jiǎn)單、處理速度快、人為參與因素少，可操作性強(qiáng)。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，利用3D Mine軟件實(shí)現(xiàn)地表三維模型建立及計(jì)量功能，建成的地表模型能真實(shí)表述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，其計(jì)量功能準(zhǔn)確性較高。