無人機激光掃描技術在礦區地形測量中的應用

李運江 王 冬 高 旭

（1.內蒙古昊盛煤業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017212；2.山東科技大學測繪與空間信息學院，山東 青島 266590）

石拉烏素煤礦位于鄂爾多斯高原中南部，礦區地表呈現典型的高原堆積型沙丘地貌特征，地表大部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，為沙漠～半沙漠地區。在沙漠環境從事傳統地形測量工作困難，目前在礦區地形測量工作中，無人機測量方式逐漸開始運用，測量效率有了很大提升[1]。以無人機激光掃描為代表的空間測量技術，能夠快速、有效地采集地表的坐標數據和影像數據，獲取真實的地表形態[2]。無人機激光掃描技術能夠彌補傳統測量方法在礦區測量過程中所暴露的測量效率低、準確性差等問題[3]，故將其引入礦區地表地形測量工作中，不僅大幅提高了地形測量的效率，更為礦區生態環境監測、地面沉降監測等工作提供了巨大便利。

1 基本原理與流程

1.1 無人機激光掃描系統原理

無人機激光掃描系統是以固定翼或多旋翼無人機作為載體平臺，高度集成多種電子設備的新型測量系統。其主要由無人機、激光雷達測距儀、全球導航衛星定位系統（Global Navigation Satellite System,GNSS）、慣性導航系統（Inertial Navigation System,INS）以及成像系統和控制單元等設備組成。激光測距儀可以快速精準地對地表信息進行采集，獲取被測對象離散隨機分布的三維空間點云數據。GNSS 為系統提供實時的空間位置信息，INS 通過陀螺儀和加速度計等慣性傳感器測定系統的飛行姿態、位置信息和飛行速度等，以提高導航定位信息的準確性。成像系統能夠采集地面的高分辨率影像，通過影像配準的方法，可以使點云數據具有被測地物的真實色彩RGB 信息。控制單元負責協同GNSS、INS 以及激光測距儀等設備，存儲采集得到的測量數據，同時將系統飛行軌跡與系統各個組成結構的實時工作狀態等信息提供給地面控制臺。上述單元的集成，能使無人機激光掃描系統在GNSS 和INS 提供的位置信息下，快速獲取地面的高精度激光點數據，圖1 為無人機激光掃描系統的測量原理。

圖1 無人機激光掃描系統測量原理

1.2 無人機激光掃描地形測量方案

1.2.1 激光雷達系統選擇

試驗選用的激光雷達系統集成了RIEGL miniVUX-1UAV 無人機激光掃描儀，該型激光掃描儀堅固、輕巧、結構緊湊，質量僅為1.55 kg，便于安裝于固定翼和旋翼無人機；組合導航系統，選用SPAN-IGM-S1 高精度MEMS 組合導航系統，該系統集成了挪威Sensonor 的高精度慣性測量單元STIM300 和NovAtel OEM7700 板卡。采用一體化封裝，在不需要外接其他傳感器的前提下，能為用戶提供125 Hz 的高精度3D 位置、姿態和速度信息，同時集成高像素工業相機與系統控制模塊，搭載于長航時多旋翼無人機，一次作業飛行時間能夠達到30 min，能夠采集得到平面位置、高程絕對精度優于5 cm 的激光點云數據。

1.2.2 測量內外業流程

無人機激光掃描進行地形測量的外業流程可分為：場地踏勘、航線規劃、數據采集；數據處理包括：數據解算、點云去噪、點云濾波等；生成等高線的方法可分為數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成等高線法和點云抽稀后直接生成等高線方法等。測量流程如圖2。

圖2 無人機激光掃描測量流程

2 研究區概況

試驗區域位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗石拉烏素煤礦，數據采集區域選擇目前正在開采的北1 工作面地表，區域內植被覆蓋多為干旱區針葉低矮植被和防風固沙林。試驗區域如圖3。外業數據采集前，首先要對測區進行航線規劃，在電子地圖上對測區范圍進行任務標注，劃定數據采集區域，在采集區域內進行航線規劃。航線規劃時，應首要考慮數據采集所要求的點云精度、密度，綜合考慮無人機的性能、續航時間，確定無人機飛行的高度與重疊度。對于一次飛行不能完成采集任務的，需提前在電子地圖上選擇空曠、平整的場地作為中途起降點，中途起降點必須經過現場的踏勘，確保能夠滿足無人機起降的條件，才能進行中途電池的更換。在工作面上方使用機載激光掃描系統對地進行掃描測量，設置仿地飛行，飛行高度距地面100 m，水平飛行速度5 m/s，飛行作業時間大約25 min，相較于傳統方式極大縮短了外業工作的時間，減輕了勞動負擔[4]。

圖3 試驗區衛星影像

3 數據處理

3.1 點云去噪

由于目標的物理特性、空氣環境中細微物質與儀器誤差等因素的影響，機載激光雷達系統采集得到的原始點云中不可避免地存在少量的噪聲點。這些噪聲點一類是掃描儀發射的激光光束，缺失了目標的返回信息，由此導致的粗差點叫遺失點；另一類是系統誤差和飛鳥飛蟲導致的極低點和空中噪點統稱為外露點。雖然這些干擾點在整個點云數據集合中占比較少，但因為多數點云濾波分類算法通常選擇點云數據中的一定區域高程最低點作為初始地面點，如果選擇的最低點為噪聲點，則會對一定區域范圍內的濾波效果造成嚴重影響。所以，為了使點云數據的濾波分類結果有更高的精度，在進行地面點分類前必須要將噪聲點從整體點云數據中進行剔除。

3.2 漸進加密三角網濾波

漸進加密三角網濾波依據原始點云數據坡度將其格網化，尋找每個格網內最低點作為地面種子點構網，之后通過迭代逐層加密[5]。將格網內地面點云數據全部分類出來，是目前較為主流的地面點分類算法，其具體步驟如下：

1）將點云數據進行格網化，依據高程值對每個格網點云數據排序，遍歷所有格網的點云數據，選擇各格網中高程最低點作為起始的種子點；

2）對初始地面種子點進行構網；

3）遍歷各格網未分類點，對各激光點投影到水平面所形成的三角形進行查詢分析，計算未分類點與三角形之間距離，記為d，以及三角形各頂點與未分類點之間連線和三角形平面之間的夾角α1、α2、α3。如圖4 所示，將待分類點和迭代的距離與角度進行對比，如果小于對應閾值，那么將待分類點歸類于地面點中，將其加入三角網中。重復上述迭代直至所有未分類點分類完畢。

圖4 漸進三角網加密算法原理

點云濾波效果如圖5。如圖5（a）所示，濾波前的點云除地面點以外，還包含了植被等各種無關數據，對真實地表形態的反映造成極大影響；濾波后的點云如圖5（b）所示，植被等無關信息已經被濾除，有效地分離出地面點，還原了真實的地表形態。

圖5 點云濾波效果對比圖

4 等高線生成

4.1 DEM 生成等高線法

等高線測繪是地形測量的主要內容之一，等高線是地形圖上地貌起伏表示的主要符號，等高線的生成是地形圖測繪的重要工作之一。當點云數據經過濾波處理后，數據中建筑物、植被及其他地物特征得到濾除，但也導致獲得的地面點云中存在一定的數據空洞。因此基于地面點云進行地表模型重建生成數字高程模型時，需對數據缺失區域采用插值算法進行修復生成契合原始地形起伏狀態的DEM。本文采用克里金插值法構建DEM，通過DEM 生成的等高線效果如圖6（a）。

圖6 地形測量成果

4.2 點云直接生成等高線法

機載激光點云除了通過構建DEM生成等高線，還可以將濾波后的地面點云直接構建不規則三角網，在三角網中各三角形邊上進行等高線點的確定、等高線點的追蹤、等高線連接與等高線的光滑。但在此過程中，往往難以用到數量巨大的激光點數據，海量的點云數據不僅對于地形測量精度提升的空間有限，相反，還會造成計算機、繪圖軟件的卡慢，降低工作效率。故在進行地形測量前，常需要進行點云抽稀，在保證精度損失可控的前提下降低數據冗余度。本文選用基于曲率的點云抽稀算法：該算法通過計算點云表面的曲率作為抽稀判定的條件，在曲率大的區域減小抽稀倍數，曲率小的區域增大抽稀倍數，從而使整體抽稀倍數符合預設值。該算法可降低地形變化較大的復雜區域的抽稀率，增大地形平坦等簡單區域的抽稀率，較好地顧及三維空間上的地形特征，能夠在減少數據量的同時較好地保留地貌形態，對于溝坎，坡谷等特殊地形形態有較好保留效果。在CASS10.1 軟件中將抽稀后的點云直接生成等高線效果如圖6（b）。

5 精度評定

為了評定兩種方式生成等高線的精度，在測區地表采用GNSS RTK 方法隨機測取30 個高程點，將高程點展繪在地形圖上，并分別在其原位置內插高程點，分別按中華人民共和國國家標準《數字測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 18316-2008）中計算兩種方法生成等高線的高程中誤差，見公式（1），檢測點高程與計算結果見表1。

表1 等高線高程精度評定表

式中：Hi為檢測點實測高程；hi為數字地形圖上相應內插點高程；n為檢測點高程個數。

由表1 可以看出，兩種方式測得的等高線精度均能夠滿足高精度的大比例尺數字測圖要求，這是由于無人機激光掃描測量方式相較于傳統手段，其數據采樣率高，故能生成更加精細的等高線以及地面模型，從而也能夠證明無人機激光掃描技術能夠測量得到高精度的地形信息。

6 結語

本文將機載激光雷達運用于礦區的地表地形測量中，通過內外業的測量、數據處理，分別使用兩種方法生成礦區地表等高線，其作業效率是傳統手段所不可比擬的，尤其是在地形復雜、環境惡劣的條件下，其優勢更加突出，不僅減輕了地測人員的勞動負擔，其測量的精度，也能夠滿足大比例尺測圖精度要求，且激光掃描的測量成果更加豐富，對于煤礦生產的數字化、智能化進程提供了諸多便利。