车载移动测量系统在露天矿应用的可行性研究

2017-03-11严怀民

露天采矿技术 2017年10期

关键词：外业露天矿车载

严怀民

（汝箕沟无烟煤分公司，宁夏石嘴山 753004）

车载移动测量系统在露天矿应用的可行性研究

严怀民

（汝箕沟无烟煤分公司，宁夏石嘴山 753004）

集成了全球定位接收机、惯性导航系统、三维激光扫描仪、全景相机、里程计等传感器的移动测量系统，目前已经在城市规划、道路工程测绘和大规模城市建模等方面得到成功应用。通过简单介绍车载移动测量技术的数据采集和处理方法，并结合露天矿特点，深入分析其在露天矿应用中的优势与不足。

车载移动测量系统；数据采集与处理；露天矿；应用

Abstract：Integrated mobile measurement system of mobile GPS receiver,inertial navigation system,3D laser scanner,panoramic camera and odometer sensor has been successfully applied in city planning,road engineering survey and large-scale city modeling. The article briefly introduces the data acquisition and processing methods of vehicle mobile measurement technology,and analyzes the advantages and disadvantages of the technology in the open-pitmine.

Key words:vehiclemounted mobilemeasurement system;data acquisition and processing;open-pitmine;application

0 引言

随着测绘技术的不断进步，矿山测量人已不满足于全站仪、人工RTK、地面固定站式三维激光扫描等传统测量技术的使用。而集成了全球定位接收机、惯性导航系统、三维激光扫描仪、全景相机、里程计等先进传感器的移动测量系统的出现，在城市规划、道路工程测绘和大规模城市建模等方面得到成功应用。通过介绍移动测量技术的测量原理，结合露天采场的特点，分析和探讨车载移动测量系统在露天矿应用中的优势与缺陷。

1 车载移动测量系统

车载移动测量系统是在汽车上安装了高度集成的全球定位接收机、惯性导航系统、三维激光扫描仪、全景相机、里程计等先进传感器，在汽车高速移动过程中，快速采集视场范围内所有“看得见”地物的空间位置数据和属性数据，数据同步存储在车载计算机系统中，事后经过软件系统数据预处理、轨迹解算、点云解算、点云影像数据配准等步骤，最后形成内容丰富的空间信息数据[1]。

1.1 外业数据采集原理

1）由卫星定位接收机对移动或静止状态下的汽车位置进行实时绝对位置（相当于传统地形图测绘前期做的一个个“图根点”）；

2）由惯性导航系统计算卫星定位接收机、激光扫描仪、全景相机等设备的实时姿态信息；

3）由激光扫描仪、全景相机以卫星定位接收机定位的“图根点”为基准快速采集视场范围内地物的空间位置数据和属性数据；

4）最后基于惯性导航系统获得设备实时姿态信息，通过将多种数据联合解算获取空间坐标基准下的高精度地表三维模型测量数据和属性数据[2]。

1.2 内业数据处理流程

1）轨迹解算：通过惯导解算软件处理GNSS数据和惯性导航数据，获得平滑的行车轨迹路线，也就得到了汽车行进过程中各个时刻激光扫描仪、全景相机的位置信息和姿态数据。

2）点云解算：通过点云解算软件将激光点云数据与高精度的位置和姿态数据进行融合，给每一个点赋予准确的位置信息，并完成数据格式转换、异常点去除、滤波、点云分类、点云裁剪、合并、数据分块等工作。

3）点云数据与影像数据的配准：通过点云影像配准软件完成激光点云及全景影像数据的空间配准，同时完成对空间点、线、面要素的量测和保存。

4）点云影像数据的应用：经过处理后的点云数据和影像数据，通过成图软件可以完成日常矿图的绘制、通过土石方计算软件可以完成剥离工程量的计算、通过三维建模软件可以完成露天矿去三维建模等工作。

2 车载移动测量系统在露天矿应用的可行性

移动测量技术是当今测绘界最为前沿的科技之一，代表着未来电子地图测制领域的发展主流。车载移动测量系统保留了固定站式三维激光扫描技术的优势，实现了三维激光扫描移动式的测量，弥补了固定站式三维激光扫描测量的不足，大大提高了作业效率。结合露天采场的特点，分别从测量精度、工作效率、测量过程中存在的优缺点等方面来研究车载移动测量系统在露天矿应用的可行性。

目前，车载移动测量系统有效测程可达1 km以上，在有效测程内其数据采集的精度优于5 cm，符合1∶500地形图成图精度要求，完全满足露天矿日常测量需要。

2.1 车载移动测量系统在露天矿应用中的优点

1）采集的数据种类全、密度高、无遗漏，大大提高了测量数据对采场实际反映的精细化程度。车载移动测量系统使用毫米级分辨率的三维激光扫描仪和3 000万以上像素的全景相机分别进行空间位置点云数据和属性影像数据的采集，可以真正做到露天采场所有“看得见”的地物地貌的高密度、无遗漏采集，通过精细三维建模就可以真正实现了矿区地物地貌的实景复制。以高密度的点云数据代替传统征点构建的曲面模型，而且成功的克服了传统接触式测量对边坡、破碎带等测量人员不易到达的危险区域无法精细测量的弊端。

2）测量效率高，数据更新周期快，成功的消除了传统测量数据更新周期长的弊端。传统测量手段外业数据采集花费时间较多，图纸更新周期长，致使以测量数据图纸为基础的开采设计、生产调度、土方计算等工作相对滞后不能及时准确的指导与管理现场生产。而车载测量系统能以60 km/h（矿区限速除外）的速度完成矿区外业测图工作，通过配套软件可以快速的完成数据处理矿图绘制工作。与传统测图相比，将整个测量成图效率提高10倍乃至数十倍以上。

3）为露天矿边坡监测与分析提供了一种精细、安全、高效的方法。边坡滑坡是露天矿的重大灾害之一，及时准确有效的进行边坡监测与预报是露天矿安全生产的重中之重。传统边坡监测的方法是将监测点、监测线布设在变形特征明显的边坡地段，通过周期性观测与数据分析，以监测点、监测线的位移量来确定面的变化量。而车载移动测量系统通过非接触的采集方式对露天边坡进行高精度、高密度的数据采集，然后通过友好软件对相邻观测周期的边坡激光点云数据及初始边坡激光点云观测数据进行迭代配准，变形分析，就可在边坡立体三维点云模型上以不同颜色表示不同区域的变形程度及位移量，为滑坡预报及边坡治理提供了及时、精确、有力的数据支持。

4）实现了外业数据采集的高度自动化。成功的将外业数据采集直接转换为内业数据处理，给矿山测量人的工作方式带来了革命性的转变。以测量人员在车载的情况下高效非接触式的数据采集方式代替了传统测量人员逐单接触式的数据采集方式，将露天矿测量人员从恶劣危险的作业环境中解放出来，成功消除了测量人员与巨型采矿机械交叉作业的安全隐患。以高密度、无遗漏的采集露天采场所有“看得见”地物地貌数据代替了传统测量人员有选择性的采集与生产有关的主要地物地貌数据，降低了数据采集对测量人员专业素质的要求，也消除了在特征点选取时的人为主观经验误差，提高了测量精度。

5）实现了二维矿图向三维点云模型的革命性转变。车载移动测量系统采集的数据为高密度的激光点云和全景影像数据，经数据处理、点云影像配准、精细建模等流程生成高精度附带纹理可测量的真三维点云模型。在经过数据格式转换软件（如南方优立数据格式转换软件Geoverse Convert）无损转换压缩实现TB级点云数据的秒级加载，最后通过相应的在线发布平台在线发布，采矿设计、生产调度等相关人员就可以通过浏览器完成露天采场三维点云模型的快速浏览与需求信息的获取工作。

6）实现被动测量向主动测量的巨大转变。过去，测量人员只是采集规范要求的几种与露天生产密切相关的主要要素，不能完全满足不同单位部门（如生产调度、机电管理、环境治理、煤炭运销等）的信息需求。车载移动测量系统使用毫米级分辨率的三维激光扫描仪和3 000万以上像素的全景相机分别进行空间位置点云数据和属性影像数据的采集，可以做到对矿区所有“看得见”地物地貌的高密度、无遗漏采集，并通过精细三维建模就可以真正实现了矿区地物地貌的实景复制。而真三维点云模型的线发布，使得人们可以在互联网上根据自己个人的需求，寻找想要的信息，如采矿设计人员可以量测任意工作面任意地段的台阶高度；机电管理人员可以查看采区电杆线路分布情况；环境治理人员可以查看复垦区域草木长势统计矿区绿化面积；煤炭运销人员可以量算储煤场地库存煤量等等。

7）极大地推动了“数字矿山”建设进程。车载移动测量系统实现了对矿山所有“看得见”的地物地貌空间和属性数据的无遗漏采集。矿区真三维点云模型的建立实现了矿山的所有空间和属性数据的科学、合理和高效的管理与整合，构建了一个矿山信息模型，提供了直观、快速的检索和显示手段。真三维点云模型的在线发布及普遍应用为科学决策和高效管理提供了有力支撑。

2.2 车载移动测量系统在露天矿应用中的不足

1）车载移动测量系统只能对其所“看见”的地物地貌进行数据采集，对矿区道路不通车辆无法到预期位置，使车载移动测量系统“看不见”的地物地貌就无能为力了，这种情况就必须采用传统测量手段对此类地形加以补测。但随着无人机载移动测量系统测量精度的不断提高和完善以及背包式移动测量系统的推广应用，我坚信最终移动测量技术完全可以彻底代替传统测量技术完成对露天采场的数据采集工作。

2）车载移动测量系统成功的将外业数据采集转换成为内业处理，在大大地减轻了测量人员外业数据采集的工作强度的同时，增加了内业数据处理的工作量，并对内业数据处理人员的专业素质有了很高的要求。

3）由于车载移动测量系统空间位置点云数据与影像属性数据的高密度无遗漏的采集方式，造成露天采场的外业测量数据从原来的几MB变成现在的几十GB，致使对用于数据处理的计算机软硬件有了极高的要求。

4）车载移动测量系统与传统测量方法相比在数据采集方面具有无与伦比的优势，但对矿区控制测量、矿区道路施工放样、采矿权界线标定等方面的测量工作就无能无力了，必须借助传统测量手段如RTK、全站仪等。

3 结语

车载移动测量系统在露天矿的推广使用是矿山测量史上继GPS技术之后的又一次技术革命，突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。激光点云数据与全景影像的成功融合、真三维点云模型的建立与使用，实现了二维矿图向三维点云模型、被动测量向主动测量的革命性转变，更是促进了数字化矿山建设的进程，提高了矿山的精细化管理程度。

［1］李德仁.移动测量技术及其应用［J］.地理空间信息, 2006，4（4）：1-5.

［2］刘亚兵，严怀民，刘如飞.基于车载三维激光扫描技术的露天矿三维建模［J］.露天采矿技术，2015（4）：37-39.

［3］姚正明，郑灿辉，曲林.浅谈移动道路测量系统外业采集［J］.测绘与空间地理信息，2009，32（4）：154-156.

［4］刘文龙，赵小平.基于三维激光扫描仪技术在滑坡监测中的应用研究［J］.金属矿山，2009（2）：131-133.

［5］李琴.车载移动测量系统的数据处理及应用［J］.测绘通报，2014（S1）：129-132.

［6］刘昌军，赵雨.基于三维激光扫描技术的矿山地形快速测量的关键技术研究［J］.测绘通报，2012（6）：43-46.

［7］钟涛.基于三维激光扫描测量技术的露天矿山变形监测研究［J］.科技与创新，2015（15）：141-141.

［8］田茂义，俞家勇.车载移动测量系统应用于城市大比例地形图更新［J］.测绘与空间地理信息，2016，39（6）：5-7.

【责任编辑：张夙】

Feasibility study on the application of vehiclemounted mobilemeasurement system in open-pitmine

YAN Huaimin
(Rujigou Anthracite Branch,Shizuishan 753004,China)

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