基于激光雷達(dá)技術(shù)的礦山測(cè)量工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭 鑫

（天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170）

近年來，信息時(shí)代的到來改變了各行各業(yè)的發(fā)展方向，各種新型測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工程測(cè)繪的現(xiàn)代化發(fā)展。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)是當(dāng)前工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，比如在礦山工程、建筑、國(guó)防、航空等領(lǐng)域，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)都發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。為了進(jìn)一步提高礦山測(cè)量工程整體水平，促進(jìn)礦山測(cè)繪領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展。文中結(jié)合實(shí)踐，對(duì)基于激光雷達(dá)技術(shù)的礦山測(cè)量工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究，以供參考。

1 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)概述

（1）激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展歷程。激光雷達(dá)作為一項(xiàng)現(xiàn)代高科技技術(shù)手段，在構(gòu)建數(shù)據(jù)模型以及繪制大型3D目標(biāo)場(chǎng)景方面發(fā)揮著無可替代的作用。利用此項(xiàng)技術(shù)，能夠精準(zhǔn)及時(shí)的對(duì)實(shí)體三維空間坐標(biāo)進(jìn)行獲取，并利用拍攝的數(shù)碼照片，來繪制場(chǎng)景數(shù)據(jù)模型，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，獲取的數(shù)據(jù)不僅客觀高效，同時(shí)十分真實(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)獲得實(shí)體目標(biāo)形態(tài)特征。

（2）激光雷達(dá)技術(shù)的分類。由于激光雷達(dá)技術(shù)存在不同載體，可將此將技術(shù)劃分成地面三維激光雷達(dá)技術(shù)以及機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)。前者是基于地面載體來實(shí)現(xiàn)測(cè)繪工作，工作系統(tǒng)主要由激光掃描技術(shù)、GPS以及數(shù)碼照相技術(shù)共同組成，可以基于地面緯度，來掃描測(cè)量所測(cè)物體，并借助軟件對(duì)獲得的激光反射回波信息以及所測(cè)目標(biāo)表面影像開展建模工作。具體應(yīng)用時(shí)，在地面安裝三維激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也可移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行搭載，高效的采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

機(jī)載激光雷達(dá)體系有著更為完善的系統(tǒng)與設(shè)備，如系統(tǒng)當(dāng)中主要包括GPS定位系統(tǒng)，高精度測(cè)量?jī)x器以及現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)與慣性制導(dǎo)儀，在測(cè)量目標(biāo)過程當(dāng)中，能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)測(cè)量效果。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)相較于地面雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，不僅性能更加優(yōu)越，而且速度極快，可以高效的開展長(zhǎng)距離遠(yuǎn)距離測(cè)繪，所以在測(cè)繪工作實(shí)際應(yīng)用十分普遍[2]。該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用于發(fā)展已經(jīng)多年，對(duì)于工程測(cè)繪技術(shù)發(fā)展起到了巨大的帶動(dòng)作用，取得的成績(jī)也非常顯著。

2 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量原理

測(cè)量區(qū)域電磁波傳送以及把控工作，通過現(xiàn)代光頻波段技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這是激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)重要的工作原理，借助傳輸與收集電磁波，可以更加精準(zhǔn)的判斷物體具有的距離、高度和體積等信息數(shù)據(jù)。與普通光波相比，激光具有十分明顯的方向性，同時(shí)有著較為單純的顏色與突出的相干性，具有很強(qiáng)的抗干擾特性。所以在工程測(cè)繪工作當(dāng)中，利用激光雷達(dá)技術(shù)效果十分理想。在具體測(cè)繪工作實(shí)際，物體表面被激光束打到之后，會(huì)有反射現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)雷達(dá)接收這些反射光素，雷達(dá)內(nèi)部系統(tǒng)，可依照光速發(fā)出與收回所用時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算物體距離。激光云點(diǎn)主要是通過匯聚的激光點(diǎn)所形成，在系統(tǒng)中對(duì)云點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)繪制成圖像。

發(fā)射于回傳激光速具有非常高的頻率，而且，接收器主要處在高頻運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，回轉(zhuǎn)的光速，主要包括高度、距離等有關(guān)信息，在對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用過程中，設(shè)備處在不同的位置高度，也會(huì)存在不同的平面精度，高程精度在10cm～30cm時(shí)，可以達(dá)到0.15m～1m左右的平面精度。

3 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

激光雷達(dá)技術(shù)，能夠?qū)λ鶞y(cè)物體有關(guān)信息數(shù)據(jù)快速及時(shí)獲取，如距離、體積等信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)信息變化趨勢(shì)，保證測(cè)繪效率和質(zhì)量。正是由于激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)諸多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在礦山測(cè)量工作當(dāng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合礦山工程具體要求，確保礦山測(cè)量工作高效進(jìn)行。

（1）非機(jī)械掃描方式。聲光掃描作為一種最為典型的非機(jī)械掃描方式，基于聲光效應(yīng)基礎(chǔ)上，聲波通過聲光介質(zhì)便會(huì)對(duì)其疏密程度形成影響，倘若衍射光角度以及頻率出現(xiàn)改變，提示介質(zhì)被光速穿過時(shí)有衍射效應(yīng)出現(xiàn)，改變超聲波生產(chǎn)，基于這一原理基礎(chǔ)上制成掃描設(shè)備。激光入射角以及聲波面夾角達(dá)到一定條件時(shí)，衍射光在介質(zhì)內(nèi)便會(huì)發(fā)生彼此干涉，將0級(jí)和1級(jí)衍射光留下。相較于聲光掃描，電光掃描也是一種應(yīng)用普遍的非激光掃描形式，基于晶體電光效應(yīng)前提下，把偏移之后的出射光進(jìn)行掃描，在晶體當(dāng)中，光束在相應(yīng)方向上出現(xiàn)折射率變化，所以在經(jīng)過晶體時(shí)，便有相位差產(chǎn)生，電場(chǎng)中的電光晶體，改變的出射光角度，和電場(chǎng)有著非常緊密的關(guān)聯(lián)性，晶體中的光束發(fā)生相位差改變，激光出射角同時(shí)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。

（2）機(jī)械掃描方式。如振鏡掃描，一端連接掃描電機(jī)，借助轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，來偏轉(zhuǎn)振鏡，在此過程當(dāng)中，由于鏡面反射會(huì)改變激光出射角，沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的振鏡上首先投射出激光光束，并借助反射至沿Y周旋轉(zhuǎn)振鏡上，在這個(gè)過程當(dāng)中借助彼此配合來達(dá)到二維平面掃描的效果，但對(duì)靈活性方面進(jìn)行考慮，應(yīng)當(dāng)有效控制掃描頻率以及結(jié)構(gòu)冗余問題。

4 基于激光雷達(dá)技術(shù)的礦山測(cè)量工程數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用分析

（1）對(duì)礦山地形數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。在分析礦山地形測(cè)量精度過程當(dāng)中，礦山地形數(shù)據(jù)首先通過激光雷達(dá)為技術(shù)進(jìn)行獲取，然后分析比較獲得的信息數(shù)據(jù)，了解和掌握礦山地形特點(diǎn)。具體應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮礦山地形特征，科學(xué)設(shè)置激光雷達(dá)相關(guān)參數(shù)，以確保高效率，高質(zhì)量的對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。通過激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，去采點(diǎn)地形數(shù)據(jù)時(shí)，主要借助雷達(dá)，將激光沖脈發(fā)射向礦山地表，到達(dá)礦山地表的激光沖脈，通過傳感器，來有效接收激光沖脈反射信息，并基于GPS系統(tǒng)A傳感器地理位置進(jìn)行確定，并利用IMU慣性測(cè)量對(duì)雷達(dá)實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，在此基礎(chǔ)上將全部激光沖脈和接觸地面空間三維坐標(biāo)進(jìn)行獲取，最后通過分類技術(shù)應(yīng)用，移除無關(guān)信息數(shù)據(jù)，確保高效率、高質(zhì)量的獲取礦山地形信息數(shù)據(jù)。

（2）礦山地形數(shù)據(jù)處理。處理礦山地形數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，對(duì)于分析結(jié)果精準(zhǔn)度有著至關(guān)重要的影響，通過激光雷達(dá)技術(shù)，對(duì)礦山地形進(jìn)行測(cè)量，獲取到的信息數(shù)據(jù)十分巨大。因此，為了有效提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，保證處理效率，激光雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)通過TerraScan技術(shù)完成處理。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，以至于每次掃面重疊部分的數(shù)據(jù)存在很大不同，因此應(yīng)當(dāng)有效拼接激光數(shù)據(jù)并完成分類處理，確保平穩(wěn)過渡重疊與非重疊方面的數(shù)據(jù)，達(dá)到無縫連接礦山地形數(shù)據(jù)的效果，最后濾波處理剩下的數(shù)據(jù)，并剔除一些不明顯的礦山地形數(shù)據(jù)，有效控制數(shù)據(jù)文件，為高精度分析后續(xù)數(shù)據(jù)精度提供判斷依據(jù)。

（3）實(shí)現(xiàn)礦山地形測(cè)量精度分析。利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行礦山地形測(cè)量精度分析時(shí)，是通過分析處理激光雷達(dá)測(cè)繪數(shù)據(jù)，基于礦山地形形成一定比例會(huì)制成相應(yīng)的空間三維模型，模型網(wǎng)格間距是否符合礦山地形等高距比例尺相關(guān)要求，之后對(duì)部分模型數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選，當(dāng)做精度對(duì)比參照，在此基礎(chǔ)上，對(duì)礦山地形測(cè)量數(shù)據(jù)有無達(dá)到先期設(shè)定精度要求進(jìn)行分析。首先通過云技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后對(duì)礦山地面各點(diǎn)坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，在這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，生成相應(yīng)比例數(shù)字表面模型，之后標(biāo)記模型類相對(duì)的對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上形成和礦山地形實(shí)際相符合的等高線圖，然后將各種地形、高度以及給覆蓋程度不同數(shù)據(jù)當(dāng)做檢查點(diǎn)，對(duì)比分析檢查點(diǎn)相對(duì)的數(shù)據(jù)和礦山地形測(cè)量數(shù)據(jù)，將各點(diǎn)誤差計(jì)算出來，并對(duì)礦山地形等高線平均誤差進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)礦山地形測(cè)量精度做出準(zhǔn)確分析。

5 礦山地形測(cè)量當(dāng)中應(yīng)用激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的實(shí)際意義

現(xiàn)如今，伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)ΦV產(chǎn)資源需求越來越大，加大礦山資源開發(fā)成為滿足社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域礦產(chǎn)資源需求的重要途徑。而在開采礦山資源過程中，如果未能將先進(jìn)技術(shù)充分發(fā)揮出來，便會(huì)對(duì)礦山資源開發(fā)效率和質(zhì)量造成很大影響，更甚者破壞周邊環(huán)境，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。激光雷達(dá)技術(shù)作為一種現(xiàn)代化高新技術(shù)手段，在礦山數(shù)字化建設(shè)過程當(dāng)中發(fā)揮著極為重要的作用，利用此項(xiàng)技術(shù)，工作人員便可基于測(cè)繪信息數(shù)據(jù)前提下，對(duì)礦山區(qū)域地形地質(zhì)情況全面了解。

6 結(jié)語

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)作為一種現(xiàn)代化的測(cè)繪技術(shù)手段，在礦山測(cè)量當(dāng)中發(fā)揮著非常重要的作用，不僅可以對(duì)礦山地形信息高效獲取，還能保證測(cè)繪精度，大幅提高分析效率，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)把測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)充分融于一體，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪技術(shù)的革命性發(fā)展，而且在今后科技不斷創(chuàng)新和發(fā)展進(jìn)程當(dāng)中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)將有著更大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。