無人機機載激光雷達在礦山地質測繪中的應用研究

李婷婷，方 超

（黑龍江省第七地質勘查院，黑龍江 綏化 152000）

機載激光雷達通常使用無人機設備完成作業，當其在高空飛行達到指定高度時，通過發射激光光束，探測終端目標物體的空間位置與外形特征，以此實現礦山地質的測繪[1]。在此過程中，電脈沖通過激光設備對光束進行轉化，實現激光光束轉變成直接光束，并利用終端接收裝置還原處理返回的目標光束，成為電脈沖，此時，將接收裝置與計算機顯示端進行對接，實現反饋的信息在顯示屏幕上的呈現。目前，我國對激光雷達的研究已取得十分顯著的成績，并嘗試其與無人機的結合，以此提高激光雷達的探測范圍。同時，在操控無人機過程中，隨時調整光束的照射方向，確保獲取的信息滿足實際工作的需求。

1 無人機機載激光雷達在礦山地質測繪中的應用

1.1 架設礦山地質測繪GNSS基站

為了確保礦山地質測繪工作的有序實施，架設GNSS基站，并根據礦山工程的實際測繪需求，在礦區內布設控制點。同時，對接i80接收設備與基站，使兩者保持一種實時通信的狀態。在此過程中，架設的GNSS基站需要滿足下述要求：在架設基站前，提前定位控制點坐標，并在此基礎上，對基站進行整平處理，確保測繪點與控制點處于對中狀態；在進行基站天線高度測量時，采用斜測的方式，從腳手架的三個空檔區域進行測量工作，并調整每個空擋區域之間的夾角成120.0°，并且在測量過程中，控制天線的高度與測板的測量結果精度在1.0mm范圍之內，其誤差小于4.0mm，并取多次測量結果的平均值作為最終結果。在上述提出的過程中，基站天線高度標準化測量方式如下圖1所示。

按照上述圖1中提出的方式，在完成對基站天線高度標準化測量后，調整基站的采樣頻率在3.0Hz～6.0Hz范圍內?；局兴械挠^測數據要有GPS定位點與BDS作為支撐，并且兩者衛星數總和應大于或等于16.0個，并且在保存數據的時候，HCN格式與Renix30.25格式的文件各一份。

圖1 基站天線高度標準化測量方法

在架設礦山地質測繪GNSS基站的同時，無人機調試技術人員應對基站現場環境進行勘察，并結合區域地質實際情況，使用Pro地面站儀器，對無人機機載激光雷達的巡航路徑進行初步規劃[2]。完成規劃巡航路線后，使用3臺無人機設備，探測預先設定的巡航路線，在所有的無人機設備均安全返回后，認為此時預設的航線符合無人機機載激光雷達測繪標準。綜合上述分析，完成礦山地質測繪GNSS基站的架設與巡檢路線的設定。

1.2 基于無人機機載激光雷達的數據采集與處理

在完成上述相關工作后，對無人機機載激光雷達的可持續續航與飛行狀態進行檢測，當多項指標均滿足測繪條件時，進行無人機機載的標準化安裝，從而通過此種設備進行礦山地質數據的采集。在采集數據過程中，需要多臺手持控制設備對無人機的飛行方向進行控制與調整，并對接終端接收裝置與無線通信裝置，確保獲取的信息可以有效傳輸到終端。無人機在高空飛行過程中，其飛行過程偏離預設軌道或超過8.0km后，終端發出預警。綜合上述分析，規范化設計礦山地質數據的采集過程，具體內容如下。

設定無人機機載激光雷達的參數，包括激光掃描儀器的參數與拍攝錄像設備的參數等。在測繪工作實施時，啟用POS進行數據采集處理，待工程開始執行后，保持無人機機載激光雷達處于靜止狀態2.0min～3.0min，此過程的目的是獲取更多的礦區靜態信息，為后期的平差處理測繪數據做準備。在此基礎上，控制無人機機載激光雷達按照“8”字形進行高空飛行，當設備處于一種穩定運行狀態后，在終端計算機設備上進行測繪調控，同步開啟激光數據采集工作與影像數據采集工作。在完成對礦山地質影像的獲取后，控制計算機設備，點擊“結束采集”功能按鍵，召回無人機機載激光雷達。當無人機機載設備平穩返回后，拷貝在此過程中的影像數據與相關信息，將數據存儲在終端某指定硬盤內。在完成對礦山地質數據的測繪后，整理影像文件，歸類數據信息，并且劃分為四類，如下表1所示。

表1 無人機機載激光雷達獲取信息分類

在完成分類處理獲取的信息后，將存儲在HCN內的原始信息進行格式轉換操作，并設置信息的天線，使其生成標準的Renix30.25格式文件，此過程使用Data軟件操作。

在完成上述處理工作后，使用Tial Explorer7.0軟件工具，對圖像進行處理，此軟件適用于多種格式的文件信息處理，包括導航信息、重疊信息、誤差信息等。處理過程為：新建礦山地質工程文件夾→轉換原始數據格式→從終端添加基準站信息與移動信息→GNSS數據解算處理→Combine→圖像平滑處理→導出圖像處理結果。以此種方式，實現基于無人機機載激光雷達的數據采集與處理。

1.3 基于礦山地質點云數據的測繪成圖過程

在完成獲取影像信息的處理后，通過Pre軟件將激光數據與POS數據進行深度融合，融合后按照標準的解算流程，將信息呈現在GCGS1000坐標軸下，生成一個支持las格式的礦山地質點云數據集合[3]。并按照對應的數據類型，分類礦山地質點云數據集合，最終生成一個符合礦山地質環境的等高線、高程信息點。處理過程為：礦山地質點云數據集合自動歸類→結合工作人員實測點信息，對歸類結果進行人工檢測→使用計算機設備人工編輯采樣結果→生成礦山地表層測繪點集合→構建數字化高程信息模型→生成點云分類結果。

在完成對點云數據的分類處理后，參照DEM模型對圖像信息進行初步建模，并通過工作人員輔助操作的方式校正模型。手動分離處理生成模型中的不符合測繪工程的三角網，并將模型中未實現分離的三角網信息進行地面校正，直到構建的所有三角網均符合礦山地質工程測繪標準。針對其中突出的高程數據，采用校正軟件分類等高線的方式，對其參數進行調整，并實現對所有網格的最小化處理，確保測繪結果的高精度。

在完成對測繪的點云數據進行高精度劃分后，分離測繪數據集合中的等高線，定位線中關鍵點，使用CAD軟件對測繪圖像進行自動生成。生成過程中，可設置一個最小面積、等比例尺度與光滑強度等參數，生成圖像過程中，所有的等高線均需要按照等高程比例尺進行縮放。按照不同點間隔，生成點云坐標，將所有坐標文件導入Cass軟件進行編輯操作，以此實現測繪結果的成圖。

2 實例應用分析

選擇某礦區作為此次實例應用的場所，在實驗過程，為了滿足礦山工程實際需求，在開展相關研究工作前，由技術單位按照工作規定，向地方政府及有關部門進行空域飛行權限的申請，在取得工作申請后，將《GPS/IMU航空輔助攝像標準》文件作為此次工作實施的參照標準（文件要求測繪點誤差在±1.0mm范圍內，精度在1.0mm范圍內）。

完成準備工作后，布設測繪點，此次實驗共選擇6.0個測繪點，如下表2所示。

表2 礦山地質測繪點

在完成對測繪點的布設后，使用高程比例尺對礦區地質圖像進行縮放，并且通過無人機機載激光雷達按照文章中提出的方式，進行多點的影像采集，采集圖像后，處理圖像，并生成測繪點云圖。在此基礎上，整理測量的測繪數據，統計為表格，對照每個測繪點的高程數據精度與誤差是否符合真實測量標準。如下表3所示。

表3 實驗結果

結合上述表3中的數據可知，測繪結果的精度均在1.0mm范圍之內，測繪點的誤差均在±1.0mm范圍之內，兩者均滿足《GPS/IMU航空輔助攝像標準》文件的要求，因此，本文方法具有實際的應用價值。

3 結語

截至當下，已有較多的理論研究表明，將無人機機載激光雷達應用到礦山地質測繪工作中，但是多數研究成果現今仍處于理論研究階段，并未在實際中得到證實，并且，對于礦山工程而言，開展地質的測繪工作，獲取礦區內的地勢、環境、地層變化趨勢等信息，是保證工作順利實施的必要條件，但是由于礦山地質結構較為復雜，相關的測繪工作難度較大。因此，本文在早期研究成果的基礎上，設計一種針對礦山地質的測繪方法，結合無人機機載激光雷達，實現礦山工程的質量與工作效率的同步提升。