无接触测量技术在大型露天矿采剥量验收中的应用

焦步青，焦泽珍，周忠海

（中煤平朔集团有限公司地质测量中心，山西 朔州 036000）

随着我国露天矿山开采技术的飞速发展，露天矿的开采规模不断扩大，由此产生的剥离土方量体积不断增加，以点、线为基础的传统测绘方式在现场测量速度、安全性及计量精度方面已不能满足露天剥离验收计量工作的需要。随着点云技术在测绘领域的不断发展，依托航测无人机[1]、三维激光扫描仪等技术手段在露天矿进行的采剥区域远距离现状点云采集、矿坑地表三维模型建立、三维立体计量已成为露天矿采剥量计量管理的发展方向[2-3]。

以中煤平朔安家岭露天矿采剥量验收工作为例，从航测无人机、三维扫描仪现场数据采集、数据处理及计量方面全面阐述了无接触测量技术在露天矿采剥量验收工作中的应用，为点云技术在露天矿的应用推广提供了实例。

1 设备与软件

1）固定翼无人机。采用安行飞控虎蝠固定翼航测无人机，该无人机机身长度1.2 m，翼展1.7 m，飞机质量3.5 kg，机身采用EPO泡沫外壳，碳纤维骨架材料制作，最大爬升高度3 km，续航时间70～90 min，单架次作业面积15 km2，最远通讯距离20 km，抗风能力约6级，地面最大分辨率2.5 cm2，采用手抛起飞、滑行降落操作方式，机载相机为索尼A7R单反数码相机，相机像素3 600万，35 mm定焦蔡司镜头。

2）Optech扫描仪。采用Optech Polaris三维激光扫描仪，该扫描仪最小测距≤1.5 m，最大测点速率≥500 000 kHz，垂直方向扫描视场角≥120°，水平扫描视场角360°，回波次数≥4次，水平角分辨率40 μrad，100 m处最小点间距≤4 mm，角度精度≤±80 μrad（1 sigma），100 mm处测距点位精度≤±8 mm（1 sigma），内置倾斜补偿≥10°，内置2个500万像素广角相机。

3）3D Mine 2017三维矿山软件。该软件是集地质勘探数据管理、矿床地质建模、构造模型、传统和现代地质储量计算、露天及地下矿山采矿设计、三维建模、工程量体积计算的三维可视化软件系统。2017版本软件在原有功能的基础上具备了依据点云进行数据建模功能。主要使用了3D Mine中表面模块下的“生成DTM表面”、“体积计算”及工具模块下的“闭合线裁剪”3个功能。

2 基于固定翼无人机及扫描仪的采剥总量计算

2.1 工作流程

采用固定翼无人机和扫描仪相结合的方法进行露天矿采剥量验收测量，固定翼无人机航测技术用于月度作业现场三维地形点云坐标手机，扫描仪主要用于日常跟踪、外业资料的调绘及对无人机数据的检核，航测流程如图1，三维扫描流程图如图2。

图1 航测流程图

2.2 固定翼无人机航测及数据处理

1）航线设置。研究区位于安家岭露天矿外包剥离区，综合考虑风向及测量区域性状等因素[4]，按照南北方向布设10条航线，航向重叠度为75%，旁向重叠度为55%，航摄比例尺约为1：500，相对航高约为350～400 m，采用定点曝光方式进行摄影测量。本次航飞覆盖面积约10.5 km2，有效面积5.5 km2。

图2 三维扫描流程图

2）像控点布设。采用RTK技术进行像控点测量，为了确保像控点的精度，根据根点的测量要求进行测量。每一个像控点独立地观测2次，当平面较差小于3 cm、高程较差小于5 cm时取平均值为像控点的坐标。结合该区域地形特点，为了满足大比例尺测图精度要求，横跨4条基线布1个控制点，像控点要选在航向及旁向6张图像重叠范围内，在航线之间尽量公用。边缘像控点应布设在图廓线以外，以保证航测图满幅。整个测绘区域的控制点布设原则为：边缘密布，测区内部均匀布点，从而保证整个测区的平差及成图精度[5]。本次共实地测量像控点13个，数据处理中实际采用像控点13个，安太堡露天矿计划、完成与考核情况对照表见表1。

3）航测及数据处理。首先对航飞照片进行整理，通过导入pos数据→整理pos数据→新建工程→加载照片及pos数据→设置坐标系统→初始化处理→刺像控点→整体优化，最后生成点云[6-7]。

2.3 扫描仪日常跟踪测量及数据处理

通过设置新项目→设置扫描角度、测距模式及点密度→扫描→导出数据→新建数据处理任务→导入点云数据并进行自动预处理→精配准→坐标转换步骤，生成点云图。

2.4 采剥量计算

在无人机进行航测的同时，测量人员根据现场管理人员、采矿计划人员、测量员及施工方4方确认，确定计量范围、分界及剥离物性状，并结合生产计划进行外业调绘，主要调绘内容包括作业范围、作业队伍、剥离物性状，红黏土界限，在工作面平坦位置测量部分中间点用于无人机数据检核。提取计量范围内的点云数据在完成内业数据处理后，根据外业调绘情况，利用3D Mine工具模块下的“闭合线裁剪”功能对点云数据进行裁剪存储。

表1 安太堡露天矿计划、完成与考核情况对照表

利用点云数据及扫描仪数据对上月末数据及模型进行更新，根据两期点云数据，结合现场调绘施工范围，利用3D Mine中表面模块下的“体积计算”功能中的“三角网法”进行体积计算[8]。

在露天矿山测量中，受露天矿开采扰动影响，测区地形复杂破碎，部分区域岩石陡峭、坡度大，甚至测量人员难以抵达，测量困难。使用无接触测量模式代替传统的GPS、全站仪等测量模式大大降低了劳动强度、提高了工作效率，具有安全风险小、数据精度高、成果直观等优点。

3 结语

在露天矿采剥量验收工作中，利用航测无人机＋三维激光扫描仪技术能够快速、准确的实现采剥现场三维点云数据采集，且点云数据内业处理方式简单、处理速度快、人为参与因素少，可操作性强。通过对点云数据的简单处理，利用3D Mine软件实现地表三维模型建立及计量功能，建成的地表模型能真实表述现场实景，其计量功能准确性较高。