基于激光雷達(dá)測繪技術(shù)在礦山地形測量中的精度研究

羅 芬，劉 明

（江西省煤田地質(zhì)局測繪大隊(duì)，江西 南昌 330000）

礦山工程作業(yè)的開展，通常會(huì)受到地形的影響。因此，面對復(fù)雜的礦山地形環(huán)境及條件，加強(qiáng)地形測量工作顯得非常關(guān)鍵。而傳統(tǒng)一些測量技術(shù)方法會(huì)受到時(shí)間、空間等方面的限制，從而難以保證準(zhǔn)確、高效的測量成果[1]。而對于激光雷達(dá)測繪技術(shù)來說，具備分辨率高、隱蔽性好、抗有源抗擾能力強(qiáng)以及低空探測性能好等優(yōu)勢，因此值得在礦山地形測量工作中應(yīng)用。此外，從礦山地形測量精度分析工作效率及質(zhì)量提升角度考慮，本文圍繞“基于激光雷達(dá)測繪技術(shù)在礦山地形測量中的精度”分析研究具備一定的價(jià)值意義。

1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)概述

激光雷達(dá)，指的是通過發(fā)射激光束，對目標(biāo)的位置、速度等特征量進(jìn)行探測的一種雷達(dá)系統(tǒng)。對于激光雷達(dá)測繪技術(shù)來說，其工作原理為：對目標(biāo)發(fā)射出探測信號，即激光束了進(jìn)一步把接收獲取的基于目標(biāo)反射回的信號，即目標(biāo)回波，和發(fā)射信號之間進(jìn)行對比分析；在適當(dāng)處理之后，便能夠獲取目標(biāo)的相關(guān)信息，比如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)以及形狀等參數(shù)信息[2]。該技術(shù)的構(gòu)成部分包括：激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)以及信息處理系統(tǒng)。其中，由激光器把電脈沖轉(zhuǎn)化為光脈沖，發(fā)射出之后，由光接收機(jī)將目標(biāo)反射回來的光脈沖還原為電脈沖，然后傳輸?shù)斤@示器當(dāng)中。此外，由于激光雷達(dá)測繪技術(shù)優(yōu)勢顯著，具體包括：①測量分辨率高；②隱蔽性好，抗有源抗擾能力強(qiáng)；③低空探測性能好；④體積小，且質(zhì)量輕。因此，為了提高礦山地形測量工作效率，使精度分析的準(zhǔn)確性得到有效保障，合理科學(xué)地應(yīng)用激光雷達(dá)測繪技術(shù)顯得尤為重要。

2 激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用于礦山地形測量精度分析的要點(diǎn)

如前所述，對激光雷達(dá)技術(shù)的概念及工作原理有了一定程度的了解。從礦山地形測量精度分析工作成果提升角度考慮，需把控好激光雷達(dá)測繪技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)[3]?？偨Y(jié)起來，具體要點(diǎn)如下：

2.1 礦山地形數(shù)據(jù)獲取要點(diǎn)

如下圖1所示，為激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜的礦山地形測量工作中需遵循的工作步驟，從計(jì)劃準(zhǔn)備、航飛實(shí)施、數(shù)據(jù)整理、成果提交各階段，均需嚴(yán)格按照工作流程進(jìn)行。

值得注意的是，礦山地形數(shù)據(jù)獲取，是進(jìn)行礦山地形測量精度分析的基礎(chǔ)保障工作。在此工作環(huán)節(jié)，需掌握以下要點(diǎn)：

（1）通過激光雷達(dá)測繪技術(shù)的應(yīng)用，得到礦山地形數(shù)據(jù)，在后期數(shù)據(jù)對比分析中應(yīng)用。

（2）基于技術(shù)使用前期，需結(jié)合礦山地形特征，合理設(shè)置激光雷達(dá)參數(shù)，比如：激光點(diǎn)頻、飛行速度、掃描電機(jī)、凈空高度、橫縱向點(diǎn)距等，進(jìn)而確保所得到數(shù)據(jù)的真實(shí)性及可靠性。

（3）在采點(diǎn)地形數(shù)據(jù)獲取方面，主要利用激光雷達(dá)測繪技術(shù)，經(jīng)雷達(dá)朝礦山地表將激光沖脈發(fā)射出來；在激光沖脈抵達(dá)地面之后，使用傳感器接收激光沖脈的反射信息，進(jìn)一步利用GPS裝置對傳感器地理位置加以明確；并利用基于慣性測量單元（IMU）的慣性測量裝置，對雷達(dá)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，得到激光沖脈和地面接觸的空間三維坐標(biāo)[4]。

（4）利用分類技術(shù)，移除采點(diǎn)地形不相干的數(shù)據(jù)，例如地表建筑物、覆蓋物以及植被等相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證所獲取的礦山地形數(shù)據(jù)全面、真實(shí)、有效。

2.2 礦山地形數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)

在保證礦山地形數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，才能夠保證后期地形數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精度。但是，因激光雷達(dá)對礦山地形采集的數(shù)據(jù)量比較大，因此考慮到數(shù)據(jù)處理質(zhì)量得到有效保障，還有必要提升處理效率，具體要點(diǎn)包括：

圖1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜礦山地形測量工作的流程圖

（1）利用TerraScan技術(shù)處理處理激光雷達(dá)測繪數(shù)據(jù)，如果激光沖脈的落腳點(diǎn)為水域，或者處于沒有信號的區(qū)域當(dāng)中，此時(shí)傳感器所采集獲取的反射信息會(huì)議亂碼的形式存在。因此，需將原始數(shù)據(jù)當(dāng)中的亂碼信息剔除。

（2）因激光雷達(dá)測量存在一定的復(fù)雜性，使得每一次掃面重疊部分的數(shù)據(jù)存在差異，因此有必要對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接及分類處理，使重疊與非重疊數(shù)據(jù)能夠平穩(wěn)過度，并保證所采集獲取的礦山地形數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)無縫銜接。

（3）針對剩下的數(shù)據(jù)實(shí)施濾波處理，并把相關(guān)礦山地形不夠明顯的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理，使數(shù)據(jù)文件控制在最小化，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性及精準(zhǔn)度。

2.3 礦山地形測量精度分析要點(diǎn)

對于激光雷達(dá)精度分析來說，指的是把通過處理獲取的數(shù)據(jù)繪制成和礦山地形構(gòu)成一定比例的空間三維模型，模型網(wǎng)格間距和實(shí)際礦山地形等高距能否符合比例尺要求，需選擇部分模型數(shù)據(jù)當(dāng)中精度對比數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對礦山地形測量獲取的數(shù)據(jù)能否符合預(yù)先設(shè)定精度要求進(jìn)行分析判斷?？偨Y(jié)起來，具體工作要點(diǎn)如下：

（1）首要工作是利用云技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，將礦山地面各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取出來，結(jié)合這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)一定比例，將數(shù)字表面模型生成。

（2）針對模型當(dāng)中的關(guān)鍵點(diǎn)，標(biāo)記好相對應(yīng)的對標(biāo)數(shù)據(jù)，并將礦山地形實(shí)際等高線圖生成出來。

（3）選擇植被覆蓋程度、地形、高度不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)作檢查點(diǎn)，通過檢查點(diǎn)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，和礦山地形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并將各點(diǎn)位的誤差計(jì)算出來[5]。

（4）最后，將礦山地形等高線圖的平均誤差計(jì)算出來，進(jìn)一步對礦山地形測量的精度進(jìn)行分析。

2.4 案例分析

（1）實(shí)驗(yàn)方法：本次為了驗(yàn)證礦山地形測量工作中精度分析采取激光雷達(dá)測繪技術(shù)的有效性，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)組，即：針對國內(nèi)某礦區(qū)測量數(shù)據(jù)，通過原有分析方法（實(shí)驗(yàn)1組）、激光雷達(dá)測繪技術(shù)方法（實(shí)驗(yàn)2組）進(jìn)行精度分析。考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，實(shí)驗(yàn)1組、2組均采取了Optech ALTN激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，所設(shè)置的激光雷達(dá)指標(biāo)參數(shù)也保持醫(yī)一致，具體如下表1。

表1 激光雷達(dá)相關(guān)參數(shù)情況

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置檢查點(diǎn)一共40個(gè)，其中平面檢查點(diǎn)、高程檢查點(diǎn)各20個(gè)，兩組分析方法的誤差均為0mm～0.2mm范圍內(nèi)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2：

表2 實(shí)驗(yàn)1組、2組結(jié)果分析

結(jié)合表2可知，實(shí)驗(yàn)2組平面檢查點(diǎn)平均誤差、高程檢查點(diǎn)平均誤差均明顯小于實(shí)驗(yàn)1組；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)2組的精度分析準(zhǔn)確度明顯高于實(shí)驗(yàn)1組；實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在礦山地形測量工作中的精度分析中，使用激光雷達(dá)測繪技術(shù)真實(shí)、有效，值得借鑒及應(yīng)用。

3 結(jié)語

綜上所述，激光雷達(dá)測繪技術(shù)的優(yōu)勢突出，將其應(yīng)用到礦山地形測量中的精度分析工作當(dāng)中，需嚴(yán)格按照“礦山地形數(shù)據(jù)獲取→礦山地形數(shù)據(jù)處理→礦山地形測量精度分析”的工作流程，并通過實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)計(jì)量雷達(dá)測繪技術(shù)在礦山地形測量中精度分析的成果，以此為礦山地形測量工作提供真實(shí)、可靠、完善的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步為礦山工程綜合作業(yè)的開展提供充分有效的數(shù)據(jù)信息支持。