機載激光雷達測繪技術在礦山測量中的應用

李華雄

廣東省有色金屬地質局九三五隊 廣東 惠州 516001

引言

近年來，因為礦山作業環境的多變性，傳統的測量技術下需投入大量的人力資源，且需要耗費較長時間才能完成測繪任務，后續無論是整合還是分析測量數據，工作量都相對較大。互聯網技術持續發展的今天，機載激光雷達測繪具有數字化、自動化特點，在礦山測量中日漸引起了人們的關注，但為獲取可靠的測量結果，相關人員需制定合理的測繪方案。

1 項目概況

以潼湖鎮11家采石場所在地的礦山條件作為研究對象，該礦山現場與惠州市中心城區相距較近，僅22km，與廣州、深圳等城市車程大約1h，東西走向通過省道S120和江南大道、河惠菀高速公路相連，南北走向經武深高速相連，礦山工程現場的交通便捷。為清晰掌握該礦山現場的地質水文等基本情況，組織專人進入現場展開了一系列測繪工作。依據實際情況，測區總面積為8.28km2，測區呈“L”型，現場為低山丘陵地貌，溝谷發育，相對高差100m～200m，局部地段的山體較陡，最大高差205m。由于此礦山現場的地質環境復雜，為獲得完整且準確的測量結果，組織專人開展了1∶500數字化地形圖測繪、控制測量、無人機航測，測量-過程中機載激光雷達測繪為核心技術。

2 激光雷達與無人機機載激光雷達的概述

2.1 激光雷達的概述

隨著測繪技術的不斷發展，測繪技術逐步與計算機技術相結合，促進了測繪的信息化、數字化。而激光雷達為測繪數字化的重要體現，通過脈沖激光照射目標，再由傳感器測量反射脈沖返回時間，得到測量目標距離[1]。目前的經濟社會領域，激光雷達技術的應用范圍持續擴大，空中、陸地等環境中均可利用該技術得到相應的結果。實際的工作中采用激光雷達技術時，可用于成像的測量具有多樣性，如巖石、非金屬物體等。比如，一架攜帶有激光雷達的飛機，能以30cm或者更高分辨率繪制被測區域內的地形，不僅能在短時間內完成測繪任務，還能保障測繪數據的可靠性。激光雷達有悠久的發展歷史，在20世紀30年代率先提出，最初被應用在探照燈探測大氣方面。此后隨著技術的進步，激光雷達的應用范圍逐步擴展，在當下在氣象學等領域的應用效果突出，在飛機或衛星上安裝了激光雷達儀器后即可完成高空測繪。礦山領域激光雷達也不可或缺，因為礦山測繪的技術難度大，人工測量很難完成測繪任務，為克服人工測量的不足，應用激光雷達十分必要。

如在礦山測量中應用激光雷達，傳感器、掃描儀、光學儀器、定位與導航系統等必不可少，通過不同部分之間的相互配合，可高質量完成測繪任務。激光雷達的構成復雜，激光的作用突出，正常情況下激光有功率上限值，在具體應用中如功率較大，系統將自動關閉激光，以保障地面人員的眼睛舒適與安全。1550納米激光器對眼睛的危害較小，因為在較高的功率條件下，這一波長不會被眼睛所吸收，但因為檢測器技術發展尚不成熟，在應用這類波長開展礦山測量時很難獲得高精度的測繪數據，如對精度要求不高的礦山測量任務，可采用這一波長的激光完成檢測。部分企業在測量過程中配備了固態激光雷達裝置，此裝置存在一定的功能缺陷，難以滿足測繪工作的現實要求。另外，激光雷達中傳感器也為關鍵構成，能在測繪過程中負責采集、傳輸和分析數據。

2.2 無人機機載激光雷達的概述

礦山地質測繪的難度大，傳統測繪技術下面臨重重困難，而引入現代測繪技術，可克服諸多難題，在短時間內得到高精度的測繪結果，真正用測繪結果判斷礦山現場的地質地貌等基本情況，后續的開采作業中嚴格以測繪數據為參照，制定科學且合理的作業方案，發揮測繪數據的價值。無人機機載激光雷達的系統構成復雜，在該系統下可完成測距與探測，還兼具IMU、GPS和激光掃描多重功能。當前的很多領域激光雷達技術都發揮了其優勢，與其他遙感技術相比較，前者的應用效果相對理想，受到了人們的更多關注。針對無人機機載激光雷達技術，在城市三維建模基礎測繪、林業、電力、鐵路等方面都有突出應用，無論應用在何種場合，該技術都能在短時間內得到完整且高精度的地面三維數據，在后續的工作中直接利用這些數據[2]。近年來，隨著時代的變革，激光雷達技術的發展步伐明顯加快，在很多測繪領域都取得了良好的應用效果。

將無人機機載激光雷達與航空攝影測量技術相對比，二者的成像原理、原始數據等有明顯區別。在具體的測繪工作領域，如能合理應用無人機機載激光雷達技術，可克服傳統測繪技術的諸多限制，即使面臨植被提取、夜晚作業，均能得到相對可靠的測繪結果，顯然在這些方面不可利用傳統的航空攝影測量技術。

當前技術發展的過程中，無人機機載激光雷達技術的優勢越發明顯，主要表現在以下方面：能獲得點間距不超1m的密集點陣數據；可穿透植被葉冠，減少植物遮擋對測繪的干擾；現場測繪工作量大大減少；能同時測量地面與非地面層；獲取的測繪數據有較高的精度；能全天候作業；效率高[3]。正是因為無人機機載激光技術的這些優勢，在礦山測量中此項技術的重要性日漸凸顯。

3 礦山測量中機載激光雷達測繪技術的具體應用

3.1 架設GNSS基站

本礦山測量項目中，為突出機載激光雷達測繪技術的優越性，促進測繪任務的高效開展，前期的工作中相關人員應進入礦山現場展開一系列調查，以調查結果為依據合理布設GNSS基站，保障控制點布置的合理性，不僅需保障控制點的數量符合要求，還需控制每個控制點的位置。基站天線高度標準化測量方法如圖1所示。

圖1 基站天線高度標準化測量方法

隨著行業內對礦山測量提出的新要求，以及礦山測量中機載激光雷達測繪技術的發展，行業內針對架設GNSS基站陸續出臺了一系列規范，具體的工作中重點需關注以下方面：正式架設基站之前相關人員應根據現場地質及地形條件，精確定位控制點坐標，以此為前提整平處理基站現場的環境，確保測繪點、控制點均處于最佳狀態，為后續的測繪工作創造良好的條件；測量基站天線高度時，斜側法更為適用，有關人員應在腳手架三個空檔區域完成測量任務，但每個空檔區域的夾角都需保持在120°，測量操作時天線高度與側板測量結果精度應達到要求，多次測量選擇平均值為最終測量結果。

根據圖1的方法及流程，當完成了基站天線高度的標準化測量任務后，相關人員需結合行業內的有關標準，并考慮礦山現場具體情況，將基站采樣頻率控制在正常區間，且基站中的全部觀測數據均應該給其設置GPS定位點、BDS，二者的衛星數總和應大于或等于16。進入測量環節時為在后續合理應用這些數據，實際的工作中應做好數據保存，考慮到系統的特殊性，一般需將數據存儲為HCN格式、ReniX30.25格式兩種，將這些數據存儲于指定文件夾并做好備份。有關人員在架設GNSS基站時，應與專業人員做好溝通與協商，詳細了解礦山工程現場的各種信息，以區域地質情況為前提，配備Pro地面站儀器，綜合諸多因素規劃無人機機載激光雷達巡航路徑。當確定路線后，應配備3臺無人機，執行該飛行路線，在飛行的過程中獲得測區內的完整數據。

3.2 采集并處理數據

現場有關人員按規定架設好GNSS基站后，相關人員還需檢測無人機機載激光雷達的飛行狀態、可持續續航情況，當相關內容均符合有關標準后，再開始安裝無人機及其他配套設備設施。當安裝結束并通過驗收后啟動系統，在無人機飛行時系統自動采集、傳輸和分析數據，以得到完整的礦山數據。在采集數據期間需配備多臺手持控制設備，動態監測無人機飛行狀態，及時采取優化和調整措施。

機載激光雷達在測量礦區情況時，主要方法為高空飛行，為高質量完成測繪任務，必須確保無人機以既定路線飛行，一旦無人機飛行時偏離預設軌道或者超過8km，終端將立即反饋并發送預警信號，提醒有關人員進行調整。礦山測量中無人機機載激光雷達測繪時的數據采集流程為：①科學設置無人機機載激光雷達的各項參數，如激光掃描儀參數、拍攝錄像設備參數等。測繪工作中由POS完成數據采集任務，正式開始采集數據時必須使激光雷達在2～3min內保持靜止狀態，在此期間由專人負責記錄并分析數據，得到礦區的靜態數據，將這些數據作為后續有關工作的依據。②由專人操作無人機，使無人機在飛行期間系統自動采集數據，無人機機載激光雷達應呈8字形在測區以既定路線飛行，當飛機進入穩定狀態后在終端計算機輔助下開始測繪調控，開啟激光數據采集、影像數據采集。③得到礦山地質影像后，控制計算機設備并點擊技術，召回無人機機載激光雷達，停止飛行，當無人機順利返航后拷貝其中的影像數據、其他信息，存儲于指定區域。

由于無人機機載激光雷達在飛行期間獲取了礦山現場的大量數據，為在后續的工作中合理應用這些數據，在獲取數據后還需參考相應標準完成數據的分類，而分類后數據應存儲于HCN中，由系統自動轉換格式，并設置信息天線，生成標準的Renix30.25格式文件。當數據存儲、格式轉換等操作結束后，有關人員應利用TialExplorer7.0軟件的圖像處理功能自動分析和處理。該軟件的功能多樣，能處理各種來源、類型及格式的數據，如重疊信息、導航信息等，均可利用這一軟件來處理，具體的處理過程中則需考慮實際需求，選擇恰當的處理方式，從海量的礦山測繪數據中篩選得到更有價值的數據。

3.3 測繪成圖

礦山測量中應用機載激光雷達測繪技術時，測繪成圖為最終環節，具體的測繪過程中相關人員采集并處理了影像信息后，應利用Pre軟件融合激光和POS數據，融合后參考標準結算流程，使數據呈現在特定坐標系下，生成礦山地質點云數據，再對照數據類型分類礦山地質點云數據集合，生成與礦山地質環境相符合的高層信息點、等高線。在上述過程中，處理過程相對復雜，包含電源數據集合與自動分類、專業人員進入現場展開外業調查、人工監測數據分類結果、由計算機編輯采樣結果、生成礦山地表層礦山測繪點集合、構建數字化高程信息模型、生成點云分類結果。當得到點云數據分類結果后，有關人員需借助DEM模型初步建立模型，工作人員再根據礦山現場實際情況適當調整模型細節，通過手動分離方式處理模型中的問題，而模型中未分離的三角網信息采取地面矯正方式，直到所構建的全部三角網都能與測繪工作要求相一致。部分高程數據相對特殊，針對這類型數據，可由專門的矯正軟件分離等高線，展開一定的調整，必要情況下最小化處理全部網格。

4 結束語

礦山測繪的難度系數較高，引入機載激光雷達測繪技術可提高測繪效率與水平。但由于每個礦山都有其特點，在具體的測繪工作中相關人員需優化機載激光雷達測繪路徑，并合理調整相關參數，構建科學的測繪體系。