機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

李華雄

廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì) 廣東 惠州 516001

引言

近年來，因?yàn)榈V山作業(yè)環(huán)境的多變性，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)下需投入大量的人力資源，且需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能完成測(cè)繪任務(wù)，后續(xù)無論是整合還是分析測(cè)量數(shù)據(jù)，工作量都相對(duì)較大?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的今天，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪具有數(shù)字化、自動(dòng)化特點(diǎn)，在礦山測(cè)量中日漸引起了人們的關(guān)注，但為獲取可靠的測(cè)量結(jié)果，相關(guān)人員需制定合理的測(cè)繪方案。

1 項(xiàng)目概況

以潼湖鎮(zhèn)11家采石場(chǎng)所在地的礦山條件作為研究對(duì)象，該礦山現(xiàn)場(chǎng)與惠州市中心城區(qū)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(jīng)武深高速相連，礦山工程現(xiàn)場(chǎng)的交通便捷。為清晰掌握該礦山現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文等基本情況，組織專人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開了一系列測(cè)繪工作。依據(jù)實(shí)際情況，測(cè)區(qū)總面積為8.28km2，測(cè)區(qū)呈“L”型，現(xiàn)場(chǎng)為低山丘陵地貌，溝谷發(fā)育，相對(duì)高差100m～200m，局部地段的山體較陡，最大高差205m。由于此礦山現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，為獲得完整且準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，組織專人開展了1∶500數(shù)字化地形圖測(cè)繪、控制測(cè)量、無人機(jī)航測(cè)，測(cè)量-過程中機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪為核心技術(shù)。

2 激光雷達(dá)與無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的概述

2.1 激光雷達(dá)的概述

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)逐步與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了測(cè)繪的信息化、數(shù)字化。而激光雷達(dá)為測(cè)繪數(shù)字化的重要體現(xiàn)，通過脈沖激光照射目標(biāo)，再由傳感器測(cè)量反射脈沖返回時(shí)間，得到測(cè)量目標(biāo)距離[1]。目前的經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域，激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大，空中、陸地等環(huán)境中均可利用該技術(shù)得到相應(yīng)的結(jié)果。實(shí)際的工作中采用激光雷達(dá)技術(shù)時(shí)，可用于成像的測(cè)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(dá)的飛機(jī)，能以30cm或者更高分辨率繪制被測(cè)區(qū)域內(nèi)的地形，不僅能在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)繪任務(wù)，還能保障測(cè)繪數(shù)據(jù)的可靠性。激光雷達(dá)有悠久的發(fā)展歷史，在20世紀(jì)30年代率先提出，最初被應(yīng)用在探照燈探測(cè)大氣方面。此后隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展，在當(dāng)下在氣象學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用效果突出，在飛機(jī)或衛(wèi)星上安裝了激光雷達(dá)儀器后即可完成高空測(cè)繪。礦山領(lǐng)域激光雷達(dá)也不可或缺，因?yàn)榈V山測(cè)繪的技術(shù)難度大，人工測(cè)量很難完成測(cè)繪任務(wù)，為克服人工測(cè)量的不足，應(yīng)用激光雷達(dá)十分必要。

如在礦山測(cè)量中應(yīng)用激光雷達(dá)，傳感器、掃描儀、光學(xué)儀器、定位與導(dǎo)航系統(tǒng)等必不可少，通過不同部分之間的相互配合，可高質(zhì)量完成測(cè)繪任務(wù)。激光雷達(dá)的構(gòu)成復(fù)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(yīng)用中如功率較大，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)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(duì)眼睛的危害較小，因?yàn)樵谳^高的功率條件下，這一波長(zhǎng)不會(huì)被眼睛所吸收，但因?yàn)闄z測(cè)器技術(shù)發(fā)展尚不成熟，在應(yīng)用這類波長(zhǎng)開展礦山測(cè)量時(shí)很難獲得高精度的測(cè)繪數(shù)據(jù)，如對(duì)精度要求不高的礦山測(cè)量任務(wù)，可采用這一波長(zhǎng)的激光完成檢測(cè)。部分企業(yè)在測(cè)量過程中配備了固態(tài)激光雷達(dá)裝置，此裝置存在一定的功能缺陷，難以滿足測(cè)繪工作的現(xiàn)實(shí)要求。另外，激光雷達(dá)中傳感器也為關(guān)鍵構(gòu)成，能在測(cè)繪過程中負(fù)責(zé)采集、傳輸和分析數(shù)據(jù)。

2.2 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的概述

礦山地質(zhì)測(cè)繪的難度大，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)下面臨重重困難，而引入現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，可克服諸多難題，在短時(shí)間內(nèi)得到高精度的測(cè)繪結(jié)果，真正用測(cè)繪結(jié)果判斷礦山現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)地貌等基本情況，后續(xù)的開采作業(yè)中嚴(yán)格以測(cè)繪數(shù)據(jù)為參照，制定科學(xué)且合理的作業(yè)方案，發(fā)揮測(cè)繪數(shù)據(jù)的價(jià)值。無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，在該系統(tǒng)下可完成測(cè)距與探測(cè)，還兼具IMU、GPS和激光掃描多重功能。當(dāng)前的很多領(lǐng)域激光雷達(dá)技術(shù)都發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì)，與其他遙感技術(shù)相比較，前者的應(yīng)用效果相對(duì)理想，受到了人們的更多關(guān)注。針對(duì)無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，在城市三維建?；A(chǔ)測(cè)繪、林業(yè)、電力、鐵路等方面都有突出應(yīng)用，無論應(yīng)用在何種場(chǎng)合，該技術(shù)都能在短時(shí)間內(nèi)得到完整且高精度的地面三維數(shù)據(jù)，在后續(xù)的工作中直接利用這些數(shù)據(jù)[2]。近年來，隨著時(shí)代的變革，激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展步伐明顯加快，在很多測(cè)繪領(lǐng)域都取得了良好的應(yīng)用效果。

將無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)與航空攝影測(cè)量技術(shù)相對(duì)比，二者的成像原理、原始數(shù)據(jù)等有明顯區(qū)別。在具體的測(cè)繪工作領(lǐng)域，如能合理應(yīng)用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，可克服傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的諸多限制，即使面臨植被提取、夜晚作業(yè)，均能得到相對(duì)可靠的測(cè)繪結(jié)果，顯然在這些方面不可利用傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)。

當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的過程中，無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯，主要表現(xiàn)在以下方面：能獲得點(diǎn)間距不超1m的密集點(diǎn)陣數(shù)據(jù)；可穿透植被葉冠，減少植物遮擋對(duì)測(cè)繪的干擾；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪工作量大大減少；能同時(shí)測(cè)量地面與非地面層；獲取的測(cè)繪數(shù)據(jù)有較高的精度；能全天候作業(yè)；效率高[3]。正是因?yàn)闊o人機(jī)機(jī)載激光技術(shù)的這些優(yōu)勢(shì)，在礦山測(cè)量中此項(xiàng)技術(shù)的重要性日漸凸顯。

3 礦山測(cè)量中機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 架設(shè)GNSS基站

本礦山測(cè)量項(xiàng)目中，為突出機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)越性，促進(jìn)測(cè)繪任務(wù)的高效開展，前期的工作中相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)入礦山現(xiàn)場(chǎng)展開一系列調(diào)查，以調(diào)查結(jié)果為依據(jù)合理布設(shè)GNSS基站，保障控制點(diǎn)布置的合理性，不僅需保障控制點(diǎn)的數(shù)量符合要求，還需控制每個(gè)控制點(diǎn)的位置?；咎炀€高度標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量方法

隨著行業(yè)內(nèi)對(duì)礦山測(cè)量提出的新要求，以及礦山測(cè)量中機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)針對(duì)架設(shè)GNSS基站陸續(xù)出臺(tái)了一系列規(guī)范，具體的工作中重點(diǎn)需關(guān)注以下方面：正式架設(shè)基站之前相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及地形條件，精確定位控制點(diǎn)坐標(biāo)，以此為前提整平處理基站現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，確保測(cè)繪點(diǎn)、控制點(diǎn)均處于最佳狀態(tài)，為后續(xù)的測(cè)繪工作創(chuàng)造良好的條件；測(cè)量基站天線高度時(shí)，斜側(cè)法更為適用，有關(guān)人員應(yīng)在腳手架三個(gè)空檔區(qū)域完成測(cè)量任務(wù)，但每個(gè)空檔區(qū)域的夾角都需保持在120°，測(cè)量操作時(shí)天線高度與側(cè)板測(cè)量結(jié)果精度應(yīng)達(dá)到要求，多次測(cè)量選擇平均值為最終測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)圖1的方法及流程，當(dāng)完成了基站天線高度的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量任務(wù)后，相關(guān)人員需結(jié)合行業(yè)內(nèi)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并考慮礦山現(xiàn)場(chǎng)具體情況，將基站采樣頻率控制在正常區(qū)間，且基站中的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)均應(yīng)該給其設(shè)置GPS定位點(diǎn)、BDS，二者的衛(wèi)星數(shù)總和應(yīng)大于或等于16。進(jìn)入測(cè)量環(huán)節(jié)時(shí)為在后續(xù)合理應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，實(shí)際的工作中應(yīng)做好數(shù)據(jù)保存，考慮到系統(tǒng)的特殊性，一般需將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為HCN格式、ReniX30.25格式兩種，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于指定文件夾并做好備份。有關(guān)人員在架設(shè)GNSS基站時(shí)，應(yīng)與專業(yè)人員做好溝通與協(xié)商，詳細(xì)了解礦山工程現(xiàn)場(chǎng)的各種信息，以區(qū)域地質(zhì)情況為前提，配備Pro地面站儀器，綜合諸多因素規(guī)劃無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)巡航路徑。當(dāng)確定路線后，應(yīng)配備3臺(tái)無人機(jī)，執(zhí)行該飛行路線，在飛行的過程中獲得測(cè)區(qū)內(nèi)的完整數(shù)據(jù)。

3.2 采集并處理數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)人員按規(guī)定架設(shè)好GNSS基站后，相關(guān)人員還需檢測(cè)無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的飛行狀態(tài)、可持續(xù)續(xù)航情況，當(dāng)相關(guān)內(nèi)容均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，再開始安裝無人機(jī)及其他配套設(shè)備設(shè)施。當(dāng)安裝結(jié)束并通過驗(yàn)收后啟動(dòng)系統(tǒng)，在無人機(jī)飛行時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)采集、傳輸和分析數(shù)據(jù)，以得到完整的礦山數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)期間需配備多臺(tái)手持控制設(shè)備，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)無人機(jī)飛行狀態(tài)，及時(shí)采取優(yōu)化和調(diào)整措施。

機(jī)載激光雷達(dá)在測(cè)量礦區(qū)情況時(shí)，主要方法為高空飛行，為高質(zhì)量完成測(cè)繪任務(wù)，必須確保無人機(jī)以既定路線飛行，一旦無人機(jī)飛行時(shí)偏離預(yù)設(shè)軌道或者超過8km，終端將立即反饋并發(fā)送預(yù)警信號(hào)，提醒有關(guān)人員進(jìn)行調(diào)整。礦山測(cè)量中無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪時(shí)的數(shù)據(jù)采集流程為：①科學(xué)設(shè)置無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的各項(xiàng)參數(shù)，如激光掃描儀參數(shù)、拍攝錄像設(shè)備參數(shù)等。測(cè)繪工作中由POS完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，正式開始采集數(shù)據(jù)時(shí)必須使激光雷達(dá)在2～3min內(nèi)保持靜止?fàn)顟B(tài)，在此期間由專人負(fù)責(zé)記錄并分析數(shù)據(jù)，得到礦區(qū)的靜態(tài)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為后續(xù)有關(guān)工作的依據(jù)。②由專人操作無人機(jī)，使無人機(jī)在飛行期間系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)呈8字形在測(cè)區(qū)以既定路線飛行，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后在終端計(jì)算機(jī)輔助下開始測(cè)繪調(diào)控，開啟激光數(shù)據(jù)采集、影像數(shù)據(jù)采集。③得到礦山地質(zhì)影像后，控制計(jì)算機(jī)設(shè)備并點(diǎn)擊技術(shù)，召回?zé)o人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)，停止飛行，當(dāng)無人機(jī)順利返航后拷貝其中的影像數(shù)據(jù)、其他信息，存儲(chǔ)于指定區(qū)域。

由于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在飛行期間獲取了礦山現(xiàn)場(chǎng)的大量數(shù)據(jù)，為在后續(xù)的工作中合理應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，在獲取數(shù)據(jù)后還需參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)的分類，而分類后數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)于HCN中，由系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換格式，并設(shè)置信息天線，生成標(biāo)準(zhǔn)的Renix30.25格式文件。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、格式轉(zhuǎn)換等操作結(jié)束后，有關(guān)人員應(yīng)利用TialExplorer7.0軟件的圖像處理功能自動(dòng)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(shù)據(jù)，如重疊信息、導(dǎo)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(shí)際需求，選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞剑瑥暮Ａ康牡V山測(cè)繪數(shù)據(jù)中篩選得到更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

3.3 測(cè)繪成圖

礦山測(cè)量中應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)時(shí)，測(cè)繪成圖為最終環(huán)節(jié)，具體的測(cè)繪過程中相關(guān)人員采集并處理了影像信息后，應(yīng)利用Pre軟件融合激光和POS數(shù)據(jù)，融合后參考標(biāo)準(zhǔn)結(jié)算流程，使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在特定坐標(biāo)系下，生成礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)照數(shù)據(jù)類型分類礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合，生成與礦山地質(zhì)環(huán)境相符合的高層信息點(diǎn)、等高線。在上述過程中，處理過程相對(duì)復(fù)雜，包含電源數(shù)據(jù)集合與自動(dòng)分類、專業(yè)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開外業(yè)調(diào)查、人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類結(jié)果、由計(jì)算機(jī)編輯采樣結(jié)果、生成礦山地表層礦山測(cè)繪點(diǎn)集合、構(gòu)建數(shù)字化高程信息模型、生成點(diǎn)云分類結(jié)果。當(dāng)?shù)玫近c(diǎn)云數(shù)據(jù)分類結(jié)果后，有關(guān)人員需借助DEM模型初步建立模型，工作人員再根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整模型細(xì)節(jié)，通過手動(dòng)分離方式處理模型中的問題，而模型中未分離的三角網(wǎng)信息采取地面矯正方式，直到所構(gòu)建的全部三角網(wǎng)都能與測(cè)繪工作要求相一致。部分高程數(shù)據(jù)相對(duì)特殊，針對(duì)這類型數(shù)據(jù)，可由專門的矯正軟件分離等高線，展開一定的調(diào)整，必要情況下最小化處理全部網(wǎng)格。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦山測(cè)繪的難度系數(shù)較高，引入機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可提高測(cè)繪效率與水平。但由于每個(gè)礦山都有其特點(diǎn)，在具體的測(cè)繪工作中相關(guān)人員需優(yōu)化機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪路徑，并合理調(diào)整相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建科學(xué)的測(cè)繪體系。