無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

李婷婷，方 超

（黑龍江省第七地質(zhì)勘查院，黑龍江 綏化 152000）

機(jī)載激光雷達(dá)通常使用無人機(jī)設(shè)備完成作業(yè)，當(dāng)其在高空飛行達(dá)到指定高度時，通過發(fā)射激光光束，探測終端目標(biāo)物體的空間位置與外形特征，以此實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)的測繪[1]。在此過程中，電脈沖通過激光設(shè)備對光束進(jìn)行轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)激光光束轉(zhuǎn)變成直接光束，并利用終端接收裝置還原處理返回的目標(biāo)光束，成為電脈沖，此時，將接收裝置與計(jì)算機(jī)顯示端進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)反饋的信息在顯示屏幕上的呈現(xiàn)。目前，我國對激光雷達(dá)的研究已取得十分顯著的成績，并嘗試其與無人機(jī)的結(jié)合，以此提高激光雷達(dá)的探測范圍。同時，在操控?zé)o人機(jī)過程中，隨時調(diào)整光束的照射方向，確保獲取的信息滿足實(shí)際工作的需求。

1 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用

1.1 架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站

為了確保礦山地質(zhì)測繪工作的有序?qū)嵤茉O(shè)GNSS基站，并根據(jù)礦山工程的實(shí)際測繪需求，在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)。同時，對接i80接收設(shè)備與基站，使兩者保持一種實(shí)時通信的狀態(tài)。在此過程中，架設(shè)的GNSS基站需要滿足下述要求：在架設(shè)基站前，提前定位控制點(diǎn)坐標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上，對基站進(jìn)行整平處理，確保測繪點(diǎn)與控制點(diǎn)處于對中狀態(tài)；在進(jìn)行基站天線高度測量時，采用斜測的方式，從腳手架的三個空檔區(qū)域進(jìn)行測量工作，并調(diào)整每個空擋區(qū)域之間的夾角成120.0°，并且在測量過程中，控制天線的高度與測板的測量結(jié)果精度在1.0mm范圍之內(nèi)，其誤差小于4.0mm，并取多次測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。在上述提出的過程中，基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方式如下圖1所示。

按照上述圖1中提出的方式，在完成對基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量后，調(diào)整基站的采樣頻率在3.0Hz～6.0Hz范圍內(nèi)?；局兴械挠^測數(shù)據(jù)要有GPS定位點(diǎn)與BDS作為支撐，并且兩者衛(wèi)星數(shù)總和應(yīng)大于或等于16.0個，并且在保存數(shù)據(jù)的時候，HCN格式與Renix30.25格式的文件各一份。

圖1 基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方法

在架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的同時，無人機(jī)調(diào)試技術(shù)人員應(yīng)對基站現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行勘察，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)實(shí)際情況，使用Pro地面站儀器，對無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的巡航路徑進(jìn)行初步規(guī)劃[2]。完成規(guī)劃巡航路線后，使用3臺無人機(jī)設(shè)備，探測預(yù)先設(shè)定的巡航路線，在所有的無人機(jī)設(shè)備均安全返回后，認(rèn)為此時預(yù)設(shè)的航線符合無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測繪標(biāo)準(zhǔn)。綜合上述分析，完成礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的架設(shè)與巡檢路線的設(shè)定。

1.2 基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集與處理

在完成上述相關(guān)工作后，對無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的可持續(xù)續(xù)航與飛行狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)多項(xiàng)指標(biāo)均滿足測繪條件時，進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載的標(biāo)準(zhǔn)化安裝，從而通過此種設(shè)備進(jìn)行礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。在采集數(shù)據(jù)過程中，需要多臺手持控制設(shè)備對無人機(jī)的飛行方向進(jìn)行控制與調(diào)整，并對接終端接收裝置與無線通信裝置，確保獲取的信息可以有效傳輸?shù)浇K端。無人機(jī)在高空飛行過程中，其飛行過程偏離預(yù)設(shè)軌道或超過8.0km后，終端發(fā)出預(yù)警。綜合上述分析，規(guī)范化設(shè)計(jì)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集過程，具體內(nèi)容如下。

設(shè)定無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的參數(shù)，包括激光掃描儀器的參數(shù)與拍攝錄像設(shè)備的參數(shù)等。在測繪工作實(shí)施時，啟用POS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，待工程開始執(zhí)行后，保持無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)2.0min～3.0min，此過程的目的是獲取更多的礦區(qū)靜態(tài)信息，為后期的平差處理測繪數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上，控制無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)按照“8”字形進(jìn)行高空飛行，當(dāng)設(shè)備處于一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，在終端計(jì)算機(jī)設(shè)備上進(jìn)行測繪調(diào)控，同步開啟激光數(shù)據(jù)采集工作與影像數(shù)據(jù)采集工作。在完成對礦山地質(zhì)影像的獲取后，控制計(jì)算機(jī)設(shè)備，點(diǎn)擊“結(jié)束采集”功能按鍵，召回?zé)o人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)。當(dāng)無人機(jī)機(jī)載設(shè)備平穩(wěn)返回后，拷貝在此過程中的影像數(shù)據(jù)與相關(guān)信息，將數(shù)據(jù)存儲在終端某指定硬盤內(nèi)。在完成對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的測繪后，整理影像文件，歸類數(shù)據(jù)信息，并且劃分為四類，如下表1所示。

表1 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)獲取信息分類

在完成分類處理獲取的信息后，將存儲在HCN內(nèi)的原始信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換操作，并設(shè)置信息的天線，使其生成標(biāo)準(zhǔn)的Renix30.25格式文件，此過程使用Data軟件操作。

在完成上述處理工作后，使用Tial Explorer7.0軟件工具，對圖像進(jìn)行處理，此軟件適用于多種格式的文件信息處理，包括導(dǎo)航信息、重疊信息、誤差信息等。處理過程為：新建礦山地質(zhì)工程文件夾→轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)格式→從終端添加基準(zhǔn)站信息與移動信息→GNSS數(shù)據(jù)解算處理→Combine→圖像平滑處理→導(dǎo)出圖像處理結(jié)果。以此種方式，實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集與處理。

1.3 基于礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測繪成圖過程

在完成獲取影像信息的處理后，通過Pre軟件將激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，融合后按照標(biāo)準(zhǔn)的解算流程，將信息呈現(xiàn)在GCGS1000坐標(biāo)軸下，生成一個支持las格式的礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合[3]。并按照對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，分類礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合，最終生成一個符合礦山地質(zhì)環(huán)境的等高線、高程信息點(diǎn)。處理過程為：礦山地質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合自動歸類→結(jié)合工作人員實(shí)測點(diǎn)信息，對歸類結(jié)果進(jìn)行人工檢測→使用計(jì)算機(jī)設(shè)備人工編輯采樣結(jié)果→生成礦山地表層測繪點(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。

在完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類處理后，參照DEM模型對圖像信息進(jìn)行初步建模，并通過工作人員輔助操作的方式校正模型。手動分離處理生成模型中的不符合測繪工程的三角網(wǎng)，并將模型中未實(shí)現(xiàn)分離的三角網(wǎng)信息進(jìn)行地面校正，直到構(gòu)建的所有三角網(wǎng)均符合礦山地質(zhì)工程測繪標(biāo)準(zhǔn)。針對其中突出的高程數(shù)據(jù)，采用校正軟件分類等高線的方式，對其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)對所有網(wǎng)格的最小化處理，確保測繪結(jié)果的高精度。

在完成對測繪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度劃分后，分離測繪數(shù)據(jù)集合中的等高線，定位線中關(guān)鍵點(diǎn)，使用CAD軟件對測繪圖像進(jìn)行自動生成。生成過程中，可設(shè)置一個最小面積、等比例尺度與光滑強(qiáng)度等參數(shù)，生成圖像過程中，所有的等高線均需要按照等高程比例尺進(jìn)行縮放。按照不同點(diǎn)間隔，生成點(diǎn)云坐標(biāo)，將所有坐標(biāo)文件導(dǎo)入Cass軟件進(jìn)行編輯操作，以此實(shí)現(xiàn)測繪結(jié)果的成圖。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

選擇某礦區(qū)作為此次實(shí)例應(yīng)用的場所，在實(shí)驗(yàn)過程，為了滿足礦山工程實(shí)際需求，在開展相關(guān)研究工作前，由技術(shù)單位按照工作規(guī)定，向地方政府及有關(guān)部門進(jìn)行空域飛行權(quán)限的申請，在取得工作申請后，將《GPS/IMU航空輔助攝像標(biāo)準(zhǔn)》文件作為此次工作實(shí)施的參照標(biāo)準(zhǔn)（文件要求測繪點(diǎn)誤差在±1.0mm范圍內(nèi)，精度在1.0mm范圍內(nèi)）。

完成準(zhǔn)備工作后，布設(shè)測繪點(diǎn)，此次實(shí)驗(yàn)共選擇6.0個測繪點(diǎn)，如下表2所示。

表2 礦山地質(zhì)測繪點(diǎn)

在完成對測繪點(diǎn)的布設(shè)后，使用高程比例尺對礦區(qū)地質(zhì)圖像進(jìn)行縮放，并且通過無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)按照文章中提出的方式，進(jìn)行多點(diǎn)的影像采集，采集圖像后，處理圖像，并生成測繪點(diǎn)云圖。在此基礎(chǔ)上，整理測量的測繪數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)為表格，對照每個測繪點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)精度與誤差是否符合真實(shí)測量標(biāo)準(zhǔn)。如下表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合上述表3中的數(shù)據(jù)可知，測繪結(jié)果的精度均在1.0mm范圍之內(nèi)，測繪點(diǎn)的誤差均在±1.0mm范圍之內(nèi)，兩者均滿足《GPS/IMU航空輔助攝像標(biāo)準(zhǔn)》文件的要求，因此，本文方法具有實(shí)際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

截至當(dāng)下，已有較多的理論研究表明，將無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用到礦山地質(zhì)測繪工作中，但是多數(shù)研究成果現(xiàn)今仍處于理論研究階段，并未在實(shí)際中得到證實(shí)，并且，對于礦山工程而言，開展地質(zhì)的測繪工作，獲取礦區(qū)內(nèi)的地勢、環(huán)境、地層變化趨勢等信息，是保證工作順利實(shí)施的必要條件，但是由于礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相關(guān)的測繪工作難度較大。因此，本文在早期研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種針對礦山地質(zhì)的測繪方法，結(jié)合無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)礦山工程的質(zhì)量與工作效率的同步提升。