机载激光雷达测绘技术在矿山测量中的应用

2023-10-30李华雄

科学与信息化 2023年20期

李华雄

广东省有色金属地质局九三五队广东惠州 516001

引言

近年来，因为矿山作业环境的多变性，传统的测量技术下需投入大量的人力资源，且需要耗费较长时间才能完成测绘任务，后续无论是整合还是分析测量数据，工作量都相对较大。互联网技术持续发展的今天，机载激光雷达测绘具有数字化、自动化特点，在矿山测量中日渐引起了人们的关注，但为获取可靠的测量结果，相关人员需制定合理的测绘方案。

1 项目概况

以潼湖镇11家采石场所在地的矿山条件作为研究对象，该矿山现场与惠州市中心城区相距较近，仅22km，与广州、深圳等城市车程大约1h，东西走向通过省道S120和江南大道、河惠菀高速公路相连，南北走向经武深高速相连，矿山工程现场的交通便捷。为清晰掌握该矿山现场的地质水文等基本情况，组织专人进入现场展开了一系列测绘工作。依据实际情况，测区总面积为8.28km2，测区呈“L”型，现场为低山丘陵地貌，沟谷发育，相对高差100m～200m，局部地段的山体较陡，最大高差205m。由于此矿山现场的地质环境复杂，为获得完整且准确的测量结果，组织专人开展了1∶500数字化地形图测绘、控制测量、无人机航测，测量-过程中机载激光雷达测绘为核心技术。

2 激光雷达与无人机机载激光雷达的概述

2.1 激光雷达的概述

随着测绘技术的不断发展，测绘技术逐步与计算机技术相结合，促进了测绘的信息化、数字化。而激光雷达为测绘数字化的重要体现，通过脉冲激光照射目标，再由传感器测量反射脉冲返回时间，得到测量目标距离[1]。目前的经济社会领域，激光雷达技术的应用范围持续扩大，空中、陆地等环境中均可利用该技术得到相应的结果。实际的工作中采用激光雷达技术时，可用于成像的测量具有多样性，如岩石、非金属物体等。比如，一架携带有激光雷达的飞机，能以30cm或者更高分辨率绘制被测区域内的地形，不仅能在短时间内完成测绘任务，还能保障测绘数据的可靠性。激光雷达有悠久的发展历史，在20世纪30年代率先提出，最初被应用在探照灯探测大气方面。此后随着技术的进步，激光雷达的应用范围逐步扩展，在当下在气象学等领域的应用效果突出，在飞机或卫星上安装了激光雷达仪器后即可完成高空测绘。矿山领域激光雷达也不可或缺，因为矿山测绘的技术难度大，人工测量很难完成测绘任务，为克服人工测量的不足，应用激光雷达十分必要。

如在矿山测量中应用激光雷达，传感器、扫描仪、光学仪器、定位与导航系统等必不可少，通过不同部分之间的相互配合，可高质量完成测绘任务。激光雷达的构成复杂，激光的作用突出，正常情况下激光有功率上限值，在具体应用中如功率较大，系统将自动关闭激光，以保障地面人员的眼睛舒适与安全。1550纳米激光器对眼睛的危害较小，因为在较高的功率条件下，这一波长不会被眼睛所吸收，但因为检测器技术发展尚不成熟，在应用这类波长开展矿山测量时很难获得高精度的测绘数据，如对精度要求不高的矿山测量任务，可采用这一波长的激光完成检测。部分企业在测量过程中配备了固态激光雷达装置，此装置存在一定的功能缺陷，难以满足测绘工作的现实要求。另外，激光雷达中传感器也为关键构成，能在测绘过程中负责采集、传输和分析数据。

2.2 无人机机载激光雷达的概述

矿山地质测绘的难度大，传统测绘技术下面临重重困难，而引入现代测绘技术，可克服诸多难题，在短时间内得到高精度的测绘结果，真正用测绘结果判断矿山现场的地质地貌等基本情况，后续的开采作业中严格以测绘数据为参照，制定科学且合理的作业方案，发挥测绘数据的价值。无人机机载激光雷达的系统构成复杂，在该系统下可完成测距与探测，还兼具IMU、GPS和激光扫描多重功能。当前的很多领域激光雷达技术都发挥了其优势，与其他遥感技术相比较，前者的应用效果相对理想，受到了人们的更多关注。针对无人机机载激光雷达技术，在城市三维建模基础测绘、林业、电力、铁路等方面都有突出应用，无论应用在何种场合，该技术都能在短时间内得到完整且高精度的地面三维数据，在后续的工作中直接利用这些数据[2]。近年来，随着时代的变革，激光雷达技术的发展步伐明显加快，在很多测绘领域都取得了良好的应用效果。

将无人机机载激光雷达与航空摄影测量技术相对比，二者的成像原理、原始数据等有明显区别。在具体的测绘工作领域，如能合理应用无人机机载激光雷达技术，可克服传统测绘技术的诸多限制，即使面临植被提取、夜晚作业，均能得到相对可靠的测绘结果，显然在这些方面不可利用传统的航空摄影测量技术。

当前技术发展的过程中，无人机机载激光雷达技术的优势越发明显，主要表现在以下方面：能获得点间距不超1m的密集点阵数据；可穿透植被叶冠，减少植物遮挡对测绘的干扰；现场测绘工作量大大减少；能同时测量地面与非地面层；获取的测绘数据有较高的精度；能全天候作业；效率高[3]。正是因为无人机机载激光技术的这些优势，在矿山测量中此项技术的重要性日渐凸显。

3 矿山测量中机载激光雷达测绘技术的具体应用

3.1 架设GNSS基站

本矿山测量项目中，为突出机载激光雷达测绘技术的优越性，促进测绘任务的高效开展，前期的工作中相关人员应进入矿山现场展开一系列调查，以调查结果为依据合理布设GNSS基站，保障控制点布置的合理性，不仅需保障控制点的数量符合要求，还需控制每个控制点的位置。基站天线高度标准化测量方法如图1所示。

图1 基站天线高度标准化测量方法

随着行业内对矿山测量提出的新要求，以及矿山测量中机载激光雷达测绘技术的发展，行业内针对架设GNSS基站陆续出台了一系列规范，具体的工作中重点需关注以下方面：正式架设基站之前相关人员应根据现场地质及地形条件，精确定位控制点坐标，以此为前提整平处理基站现场的环境，确保测绘点、控制点均处于最佳状态，为后续的测绘工作创造良好的条件；测量基站天线高度时，斜侧法更为适用，有关人员应在脚手架三个空档区域完成测量任务，但每个空档区域的夹角都需保持在120°，测量操作时天线高度与侧板测量结果精度应达到要求，多次测量选择平均值为最终测量结果。

根据图1的方法及流程，当完成了基站天线高度的标准化测量任务后，相关人员需结合行业内的有关标准，并考虑矿山现场具体情况，将基站采样频率控制在正常区间，且基站中的全部观测数据均应该给其设置GPS定位点、BDS，二者的卫星数总和应大于或等于16。进入测量环节时为在后续合理应用这些数据，实际的工作中应做好数据保存，考虑到系统的特殊性，一般需将数据存储为HCN格式、ReniX30.25格式两种，将这些数据存储于指定文件夹并做好备份。有关人员在架设GNSS基站时，应与专业人员做好沟通与协商，详细了解矿山工程现场的各种信息，以区域地质情况为前提，配备Pro地面站仪器，综合诸多因素规划无人机机载激光雷达巡航路径。当确定路线后，应配备3台无人机，执行该飞行路线，在飞行的过程中获得测区内的完整数据。

3.2 采集并处理数据

现场有关人员按规定架设好GNSS基站后，相关人员还需检测无人机机载激光雷达的飞行状态、可持续续航情况，当相关内容均符合有关标准后，再开始安装无人机及其他配套设备设施。当安装结束并通过验收后启动系统，在无人机飞行时系统自动采集、传输和分析数据，以得到完整的矿山数据。在采集数据期间需配备多台手持控制设备，动态监测无人机飞行状态，及时采取优化和调整措施。

机载激光雷达在测量矿区情况时，主要方法为高空飞行，为高质量完成测绘任务，必须确保无人机以既定路线飞行，一旦无人机飞行时偏离预设轨道或者超过8km，终端将立即反馈并发送预警信号，提醒有关人员进行调整。矿山测量中无人机机载激光雷达测绘时的数据采集流程为：①科学设置无人机机载激光雷达的各项参数，如激光扫描仪参数、拍摄录像设备参数等。测绘工作中由POS完成数据采集任务，正式开始采集数据时必须使激光雷达在2～3min内保持静止状态，在此期间由专人负责记录并分析数据，得到矿区的静态数据，将这些数据作为后续有关工作的依据。②由专人操作无人机，使无人机在飞行期间系统自动采集数据，无人机机载激光雷达应呈8字形在测区以既定路线飞行，当飞机进入稳定状态后在终端计算机辅助下开始测绘调控，开启激光数据采集、影像数据采集。③得到矿山地质影像后，控制计算机设备并点击技术，召回无人机机载激光雷达，停止飞行，当无人机顺利返航后拷贝其中的影像数据、其他信息，存储于指定区域。

由于无人机机载激光雷达在飞行期间获取了矿山现场的大量数据，为在后续的工作中合理应用这些数据，在获取数据后还需参考相应标准完成数据的分类，而分类后数据应存储于HCN中，由系统自动转换格式，并设置信息天线，生成标准的Renix30.25格式文件。当数据存储、格式转换等操作结束后，有关人员应利用TialExplorer7.0软件的图像处理功能自动分析和处理。该软件的功能多样，能处理各种来源、类型及格式的数据，如重叠信息、导航信息等，均可利用这一软件来处理，具体的处理过程中则需考虑实际需求，选择恰当的处理方式，从海量的矿山测绘数据中筛选得到更有价值的数据。

3.3 测绘成图

矿山测量中应用机载激光雷达测绘技术时，测绘成图为最终环节，具体的测绘过程中相关人员采集并处理了影像信息后，应利用Pre软件融合激光和POS数据，融合后参考标准结算流程，使数据呈现在特定坐标系下，生成矿山地质点云数据，再对照数据类型分类矿山地质点云数据集合，生成与矿山地质环境相符合的高层信息点、等高线。在上述过程中，处理过程相对复杂，包含电源数据集合与自动分类、专业人员进入现场展开外业调查、人工监测数据分类结果、由计算机编辑采样结果、生成矿山地表层矿山测绘点集合、构建数字化高程信息模型、生成点云分类结果。当得到点云数据分类结果后，有关人员需借助DEM模型初步建立模型，工作人员再根据矿山现场实际情况适当调整模型细节，通过手动分离方式处理模型中的问题，而模型中未分离的三角网信息采取地面矫正方式，直到所构建的全部三角网都能与测绘工作要求相一致。部分高程数据相对特殊，针对这类型数据，可由专门的矫正软件分离等高线，展开一定的调整，必要情况下最小化处理全部网格。