华测 AS-300HL多平台激光雷达测量系统应用研究

1任启兵 2 许华友

四川省地矿局九一五水文队 620020

摘 要：随着科学技术的发展，各种测绘技术不断应用。其中，AS-300HL多平台激光雷达测量系统在石碌铁矿开采区内的北一采场取得良好效果,提高了工作效率、节约项目成本。文章结合测区实际情况，做详细的分析。

关键词：AS-300HL多平台激光雷达测量系统；应用

1.测区概况

本次测区域位于海南省西部昌江石碌镇南部约3公里的金牛岭山麓，是著名的石碌铁矿开采区内的北一采场。应测量科的要求，我公司采用多平台激光雷达测量系统对以下区域进行外业数据采集制作矿坑模型和计算矿堆体积方量，以验证作业效率和成果精度是否符合项目整体要求。

2.外业采集流程

2.1基站架设

数据采集之前在已知控制点架设GNSS基站，控制点坐标通过CORS测量获得，接收机使用华测i70。基站架设满足以下要求：

（1）基站架设于已知控制点后进行严格的对中和整平；

（2）天线高测量采用量斜高方式，分别从脚架三个空档（互成120°）测量天线高量测基准面（测高板）至控制点中心标志面的距离，读数精确至1mm，互差应小于3mm，最后取平均值作为天线高；

（3）基站采样率设置为5hz；

（4）基站观测数据要求必须有GPS和BDS，并且两者卫星数之和不少于18个，要求保存HCN格式数据和Renix3.02数据各一份；

（5）基站架设完成后，需要派专人看守，谨防基站被碰撞挪动，开启基站后需要及时关注电池电量；

2.2航线规划与航线探测

基站架设的同时，无人机技术工程师对现场环境进行踏勘，并结合实际环境使用DJI GS Pro地面站自定义规划航线，航线规划完成后，首先使用大疆无人机对规划航线进行探测。待航线探测完毕，方可进入正式采集环节。

飞行参数按照如下设置：

2.3产品安装

华测AS-300HL多平台激光雷达测量系统使用滑块式快拆结构与无人机飞行平台载荷板固定，其无需任何工具即可徒手紧固，自带弹簧销保险，具有极高的便捷性、通用性、可靠性。整个产品安装按照如下流程完成，耗时不到10秒！

2.4线缆连接

设备安装完毕后进行线缆连接，主要包含以下几个部分：

①将相机线缆航插接入设备面板CAMERA接口；

②将DC24V供电线航插接入总供电接口；

③将GPS馈线接入M口，用于连接天线给设备授时。

2.5数据采集

待设备安装、线缆连接完毕后，长按开机键1.5s为设备上电开机，开始数据采集。华测AS-300HL多平台激光雷达测量系统数据采集通过RC-8手持控制器控制，其通过无线通讯方式，可达到8km的传输距离，在无人机飞行过程中亦可实时监控系统各个传感器的工作状态。

数据采集分为以下步骤：

1. 传感器参数设置：主要包含激光扫描仪和相机参数设置。在本次演示中，扫描仪转速设置为70线/秒，相机为按照时间触发拍照（2秒一张）；

②开始工程：开始工程即开始POS数据采集，待工程开始后，需要使设备及无人机保持静止状态并持续5分钟，目的是为了确保获得更多静态历元后期进行平差处理；

注：选择静止的区域卫星颗数一般要求在15颗以上。

③“8”字飞行与惯导初始化：“8”字飞行的目的是为了让惯导更快地进入稳定状态，待“8”字飞行结束后方可正式数据采集；

④开始采集：在“8”字飞行快要结束前，点击“开始采集”，同步开启激光数据和影像数据采集；

⑤停止采集：航线飞行完毕后，点击“结束采集”关闭激光和影像数据采集；

⑥无人机降落与静止：结束采集后，无人机降落，继续静止5分钟；

⑦停止工程：静止完毕后，停止工程，结束POS数据采集。

⑧数据拷贝：整个工程结束后，在通电状态下连接相机数据拷贝线缆拷贝影像数据，断电后可连接数据传输线拷贝POS数据，通过数据存储卡拷贝原始激光数据；

3.数据处理过程

3.1基站数据处理

基站数据处理主要是将原始的HCN文件进行格式转换和天线设置，生成Renix3.02文件，使用CHCData完成。

3.2 POS解算

POS解算采用Inertial Explorer8.7（简称IE）后处理软件进行。该软件是一款强大的、可配置度高的事后处理软件，可用于处理所有可用的GNSS、INS 数据，提供高精度组合导航信息，包括位置、速度和姿态等信息。

3.3生成点云

生成点云使用CoPre软件进行。其目的是将原始激光数据与POS数据进行融合解算，生成CGCS2000坐标系下的las格式点云，再经过四参加高程拟合的方式得到客户坐标系下的点云成果数据。

3.4 DOM制作

DOM使用Pix4Dmapper软件进行，导入照片和对应的照片POS即可自动化处理生成正射影像。

Pix4Dmapper制作DOM

DOM 成果

3.5 DEM制作

解算获取的激光点云数据经过去裁切、去燥、地面点分类后即可生成高精度DEM，再利用生成的正射影像进行叠加便可生产出表面具有照片纹理信息的真彩色DEM。由于此次项目的作业矿坑高差将近220米，飞行环境较复杂，携带AS300HW的设备测距为250米。考虑到数据完整性和精度要求，最后综合考虑后提出如下图的两种飞行方式：

第一种飞行方式中前4个架次都很简单，05架次较为麻烦，需要飞手前期通过探测无人机了解到整个测区概况，判断出05架次的具体范围。但经过这种飞行不仅可以大限度的确保数据精度还可保证数据的绝对完整性；第二种飞行方式只需保守确定03架次的飞行范围，现场飞行相对简单，数据精度可以相对保证但采集的测区数据不完整。由于并非无人机专业人员，可能考虑不周，最后飞手自行规划出实际采集方式。

外业飞行完毕后内业利用华测CoPre软件以70、100、150、250米的距离滤波分别解算点云数据，最后对比取舍后为保证获得最大范围且有一定精度的点云数据制定出一套新颖的点云编辑处理流程。

点云编辑处理流程如下：

1、01架次的扫描数据以150米距离滤波进行解算得到点云成果，并进行无用点云切除和去噪。以此点云为预备成果点云。

2、01、02、03的3个架次数据全部以250米的最大距离滤波解算得到点云成果，并进行去燥后存放备用，称之为基础点云。

3、如下图所示在基础点云中按照范围依次绘出点云的缺漏区域、并保存范围线编号备用。

4、依据范围线在三个点云数据中依次裁切出可用点云另存。

缺漏范围划分

5、经过以上筛选和裁切后从基础点云中得到下图所示的点云数据称之为弥补点云。

弥补点云

6、在软件中加载预备成果点云和所有弥补点云后执行数据合并即得到最终较为完整的成果点云，我把此方法类比DOM的影像镶嵌命名为“点云镶嵌”方法。得到的点云成果如下图所示：

点云镶嵌后成果点云

7、利用华测CoProcess软件地面点分类功能中的陡坡地形分类方法一键操作后分类出如下图所示的完整地面点数据（由于进行过点云镶嵌，建议在这一步将点云以0.05米的间隔进行一次格网抽希，去除镶嵌接缝处的多余和重复点云数据）。

0.05米抽希后的地面点云

8、为减少处理数据量结合个人电脑增加成果处理的速度可针对地面点进行格网抽希、特征点分类和格网分幅这三种处理方法。格网抽希的间隔不易过大以3米以内为宜；特征点分类可减少70％以上的数据量，但细节特征也会有较大损失，具体参数得多尝试；格网分幅是依据点云个数结合电脑性能计算出分幅间隔后进行裁切分块处理，最后合并成果数据。这里我以0.5米进行格网抽希得到较规则的地面点成果，然后利用QT modeler软件一键封装出DEM如下所示：

0.5米格网抽希地面点

一键生成DEM

9、在软件中叠加前期制作的DOM数据即可给DEM进行真实表面纹理的附加生产出真彩色DEM数据：

高
程渲染DEM

真实纹理叠加DEM

真实纹理叠加DEM

在软件中叠加DOM的地面模型还可进行光照亮度等模式渲染后显示，以同一视角的现场照片为例，可以看出模型的渲染效果更佳。

3.7 堆体体积测算

本次除矿山外还对客户的货运码头进行扫描得到下图所示的多个堆体数据：

堆体01

堆
体02

堆体02-1

其中堆体01的结构较复杂，堆体上方为火车轨道桥，两边有大型传送带和其他机械结构，现场照片如下图。如果采用传统的测算方式不仅难度较大，测算结果也会有较大偏差。采用激光点云数据结合华测CoProcess软件的地面点分类自动提取功能，可一键将矿石堆体准确提取，再利用客户已有的3D Mine软件自动计算出准确体积。

在现场对选取一堆体进行RTK密集打点实测体积后与点云数据计算的体积进行对比得出两种体积计算的误差在0.8％，完全满足客户方5％的限差要求。

4.点云点位精度验证

本次演示在演示区域尽量选取特征点后使用RTK方式实测，将实测坐标点与点云测得坐标点比较，最终得到点云成果的精度结果为“合格”。

注：以上表格中，平面中误差计算公式为 参考依据为GB/T 24356-2009《测绘成果质量检查与验收》关于数学精度检测的规范。

5.工作效率统计

对本次演示工作效率统计如下：

矿坑DEM制作工作效率统计表

通过优化资源配置，如选择续航时间更长的无人机飞行平台（华测大黄蜂长航时旋翼机续航可达35min以上）、配备性能更优的数据处理工作站、正射影像制作通过多台工作站联机处理等，可进一步提升工作效率。

总结

传统的以全站仪、GPS-RTK为主的测量手段具有效率低下、信息不全、存在安全隐患等不足，尤其在大区域、复杂环境的测量场景下，传统方式很难满足时效要求和精度指标。

本次演示以矿上的北一采掘场和港口矿堆为试点，实地验证了我公司多平台激光雷达系统用于项目生产的可行性。其外业效率较传统方式提升了十倍以上，基于点云和正射影像的生产模式也更加方便快捷，同时华测多平台激光雷达系统可满足5cm精度要求，完全符合客户预期。

综上所述，华测多平台激光雷达系统完全可用于大型数字矿山管理和生产需求，无人机搭载激光雷达的测量作业模式无论工作效率、项目成本都具有非常大的优势。