礦山工程測量中無人機機載激光雷達的應用效果分析

冀曉彤

（甘肅煤田地質局一四九隊，甘肅 蘭州 730020）

近幾年來，隨著我國測量技術的發(fā)展，礦山工程勘測的數(shù)量也在逐年增加。通信、計算機技術的優(yōu)化和完善，提升了勘測結構的完整度和嚴謹性，促使礦山工程勘測取得較好成果。但是目前階段，由于開采次數(shù)增加，部分施工團隊存在不規(guī)范的操作行為，導致礦山自然災害頻發(fā)。面對當前的發(fā)展現(xiàn)狀，在測量之前需要對礦山工程進行有效勘探，確保工程實施的穩(wěn)定[1]。現(xiàn)如今，無人機廣泛應用在社會各個領域，并且取得了較好的成果，隨著技術的精進，無人機的自動化巡檢手段以及機載能力也得到了極大地提升，通過裝載不同型號的機器，完成相應的工作任務[2]。礦山的地質測量可以應用無人機機載雷達，將沒有角度關聯(lián)限制的激光雷達與無人機結合，通過繪制三維地圖的方式對地形路線作出記錄反饋，從而進一步完成巡檢目標任務。但是，隨著激光雷達功能性能的增加，給無人機的運行造成了一定的壓力，所以在實際應用過程中，出現(xiàn)了較多的問題和缺陷，影響礦山工程勘測的結果[3]。因此，通過多角度、多層級的設計，對礦山工程測量中無人機機載激光雷達的應用效果進行分析，調整傳統(tǒng)的應用模式，減少干擾性數(shù)據(jù)，確保運行方向和軌跡的正確性，提升測量精度值，同時可以更加快速地獲取礦山具體位置，以此提升無人機機載雷達對礦山探測的效率和質量。

1 礦山工程測量中無人機機載激光雷達的應用效果分析

1.1 確定區(qū)域波形初始特征參數(shù)

為了進一步明確激光雷達對礦區(qū)不同巖性圖像特征的分析，在礦區(qū)的基坑內部設立相應的探測點，并將勘測位置選擇在礦區(qū)基坑內部鉆孔口處，在一定程度上可以減少外部因素對無人機勘測的影響，同時也能減少對雷達勘查結果的影響。選擇150Mhz的路面耦合天線進行信號測量，將無人機的介質參數(shù)設定為15.34～20.35之間。依據(jù)勘測范圍，建立6個對應測量點，并且每一個測點之間的距離保持在8m，測深為55m。無人機的測量模式更改為步進式連續(xù)探測，當無人機機載激光雷達獲取到相應的勘測數(shù)據(jù)后，由最后一個勘測點進行處理。處理探測點的初始數(shù)據(jù)，計算測量目標體的綜合系數(shù)，具體如公式1所示：

式中：H表示測量目標體綜合系數(shù)，s表示探測的實際范圍，f表示可變目標。通過計算，可以得出實際的測量目標體綜合系數(shù)。根據(jù)數(shù)值結果明確相應的目標體，并且利用雷達獲取礦區(qū)的區(qū)域特征波形，在此基礎上計算初始特征參數(shù)，如公式2所示：

式中：L表示初始特征參數(shù)，θ表示濾波長度，s表示覆蓋總距離，通過以上計算，最終可以得出實際的初始特征參數(shù)，完成指標參數(shù)的確定。

1.2 耦合網度控制

確定礦區(qū)區(qū)域波形初始特征參數(shù)后，對耦合網度進行控制。當無人機飛行至礦區(qū)工程上方時，天線會向其發(fā)動區(qū)域波形，雷達在接收波形之后，會置換為耦合指令，傳輸至無人機控制平臺。所以，需要對置換比例進行計算，如公式3所示：

式中：J表示置換比例，a表示傳輸距離，g表示允許出現(xiàn)的誤差距離，h表示符合覆蓋范圍。通過計算，可以得出實際的置換比例，依據(jù)比例將波形轉換為對應的耦合指令，添加至無人機控制系統(tǒng)中，關聯(lián)無人機應用節(jié)點，形成與勘測范圍一致的耦合網度。依據(jù)實際的勘測情況，計算此時應調控的耦合網度，如公式4所示：

式中：K表示實際調控的耦合網度，V表示控制程度，E表示雷達勘測縱軸距離。通過以上計算，可以得出無人機實際調控的耦合網度，根據(jù)數(shù)值結果對應耦合網度進行控制。

1.3 有限單元法實現(xiàn)礦山工程測量

完成耦合網度控制后，利用有限單元法實現(xiàn)無人機機載激光雷達對礦山工程的測量。當雷達獲取到相關探測數(shù)據(jù)后，更改運行程序，具體如圖1所示：

圖1 雷達運行程序結構圖

根據(jù)圖1可知雷達程序的相應結構。在此基礎上，將寬頻帶和短脈沖以縱向的形式發(fā)射高頻電磁波，以冗余電波作為介質，形成反射勘探。反射信號經由信道傳輸至控制平臺，利用有限單元法計算出對應的單元強度，如公式5所示：

式中：N表示單元強度，C表示勘測總距離，ω表示變化系數(shù)，R表示介電質數(shù)。通過計算，可以得出實際的單元強度。以強度結果作為標準，在數(shù)值可控范圍內分析數(shù)據(jù)信息完成最終測量，并對測量結果作出結論。

2 實例分析

2.1 無人機機載激光雷達在礦山測量中的應用現(xiàn)狀簡述

現(xiàn)如今，無人機的應用領域越來越廣泛，更是逐漸成為礦山測量的主要勘測工具。礦山勘測是對礦山的地貌依據(jù)地勢地形進行記錄勘查，同時對部分開闊區(qū)域進行數(shù)據(jù)粗略測量，雖然可以達到預期的目標，但是在實際應用過程中，還會存在一些問題和缺陷。例如，勘測效果圖不清晰不能有效識別地貌與地形，數(shù)據(jù)測量結果不準確導致最終應用出現(xiàn)誤差等。小型礦山開采工程應用效果相對較好，但是面對大型工程會存在一些變化，在這樣的發(fā)展現(xiàn)狀下，需要重新對無人機勘測技術進行創(chuàng)新調整。

2.2 分析過程以及結果

了解上述應用現(xiàn)狀后，依據(jù)實際情況進行具體分析。選取Q礦區(qū)作為分析對象，礦區(qū)的側方與迅達大道交叉，并且安裝多個內徑為1.5m～2.5m，頂管壁厚為0.3m的水管道，部分礦洞的高度為67.01m～82.94m。依據(jù)標準，將無人機調整至最佳狀態(tài)，并且設置激光雷達，具體設置為：雷達的檢測范圍在50.69m～120.37m之間，冗余長度為20.35m，數(shù)據(jù)保存時間為1周，雷達的實際覆蓋面積為300.65m2。測試時將雷達放置在無人機的機座中，關聯(lián)無人機操控系統(tǒng)，結合無人機和雷達的操控系統(tǒng)。開始勘查，使無人機在礦山的標定位置上空飛行3圈，每一圈的長度不同，獲取數(shù)據(jù)信息后，對礦山工程的相關指標進行航測，并分析測量結果，最終得出相對應的數(shù)據(jù)，具體分析結果如表1所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息得出實際結論：在不同的航測距離下，無人機機載雷達對礦山工程各項指標系數(shù)測量總誤差均在0.2以下，表明其應用效果較好，具有一定的實際應用價值。

考慮到礦山待測量區(qū)域地形復雜，遮擋物較多，采用傳統(tǒng)的測量方式會出現(xiàn)頂面數(shù)據(jù)缺失的情況。礦山測量中采用無人機機載激光雷達，無需布置飛行航線，低空飛行時可捕捉到被遮擋部分的相關數(shù)據(jù)信息。激光雷達探測覆蓋范圍面積更大，測量數(shù)據(jù)采集的整體性要優(yōu)于其他設備，在高空狀態(tài)下無人機搭載雷達收集數(shù)據(jù)的精準度較高。從表1可以看出，三組航測數(shù)據(jù)誤差控制在0.03～0.05范圍內，說明殘差值控制良好，可以滿足礦山大比例尺測量精度的要求。

3 結語

綜上所述，通過分析礦山工程測量中無人機機載激光雷達的應用效果，提高其應用價值。近幾年來，無人機被應用在社會各個領域中且均取得了較好的應用效果，在礦山工程測量中，利用無人機機載激光雷達進行位置確定以及地形測量，在工程實施的前期，掃清相關障礙，根據(jù)雷達刻畫記錄對應的地勢特征、地貌情況，部分開闊區(qū)域還可以利用測量設備作出粗略計量，以此減少工程測量的工作量，確保工程的順利實施。