基于礦山地質(zhì)測繪的無人機機載激光雷達技術(shù)應(yīng)用

沈 華，施浩澤，徐 巍，朱建輝，劉俊馳

（1.浙江鼎弘勘測設(shè)計有限公司，浙江 寧波 315033；2.寧波融程測繪有限公司，浙江 寧波 315000）

通過以無人機機載激光雷達技術(shù)為輔助﹑發(fā)揮無人機機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用價值完成數(shù)據(jù)的采集與處理，基于礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)的測繪成圖，對礦山地質(zhì)測繪方法進行綜合設(shè)計。實踐結(jié)果表明，可有效提高礦山地質(zhì)測繪工作效率，保證礦山地質(zhì)測繪工作質(zhì)量，做好礦山資源的定位工作與地質(zhì)條件的勘測工作[1]?；诖?，需深入研究將無人機機載激光雷達技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)測繪工作中的策略，以發(fā)揮此技術(shù)的職能達成理想工作成效。

1 激光雷達與無人機機載激光雷達的概述

1.1 激光雷達的概述

激光雷達是指一種以脈沖激光照射目標(biāo)的形式，運用傳感器測量反射脈沖返回時間，最終測量目標(biāo)距離的方法，在空中﹑陸地以及移動端均可予以使用。激光雷達可用于成像的材料極為廣泛，其中包含：巖石﹑非金屬物體﹑氣溶膠與水化合物等，例如：一架攜帶激光雷達的飛機，可以以30cm或者是更高的分辨率繪制地形，并保證其繪制的精度。

在1930年，首次提出激光雷達的概念，最初激光雷達被應(yīng)用于探照燈探測大氣。而事實上，在當(dāng)前時期，激光雷達已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于研究氣象學(xué)和大氣的過程中，在飛機或衛(wèi)星上安裝激光雷達儀器可以完成高空測繪。目前我國礦山地質(zhì)測繪工作面臨著很多的困難，例如：難以擁有較高的可視度對地質(zhì)進行測繪，因此在正式開展開采工作之前，為保證對礦山的有效測繪及其測繪的質(zhì)量，可將激光雷達技術(shù)應(yīng)用其中，以完成高空礦山地質(zhì)測繪。

在礦山地質(zhì)測繪中，關(guān)于激光雷達的成分的組成包含幾個部件，如：傳感器﹑掃描儀和光學(xué)儀器﹑定位和導(dǎo)航系統(tǒng)等。舉例說明，例如：激光是激光雷達的重要組成部分，通常情況下，600至1000納米激光是最為常用的，且激光的最大功率有限，或是使用特定高度關(guān)閉激光自動關(guān)閉系統(tǒng)，從而保證地面人員的眼睛安全問題。1550納米激光器對眼睛是比較安全的，主要是因為處于較高的功率水平下，此種波長不會被眼睛強烈吸收，但檢測器技術(shù)并不是十分先進，因此這類波長通常被應(yīng)用于低精度探測，同時這類波長也被應(yīng)用于軍事運途中。在部分企業(yè)中，堅持開發(fā)商用固態(tài)激光雷達裝置，但在開發(fā)過程中依舊存在著些許問題影響開發(fā)質(zhì)量。再或者是傳感器，也是激光雷達的重要組成。基于相機可發(fā)射更大的掃描光束，并充分使用能量測量特定區(qū)域的空間關(guān)系與尺寸，這是較為精準(zhǔn)的成像，且捕捉的幀并不需要縫合在一起。此系統(tǒng)對平臺運動不敏感，因此不會造成過多的失真，主要通過記錄發(fā)射脈沖與反向散射脈沖之間的延遲，并使用光速計算行進距離而最終得到確定的光，掃描激光雷達可以進行3D成像。

1.2 無人機機載激光雷達的概述

在展開礦山地質(zhì)測繪工作時，最常用的測繪技術(shù)便是現(xiàn)代化信息技術(shù)，礦山開采的順利進行在很大程度上是依賴于礦實地測繪的精準(zhǔn)度，而把測繪技術(shù)和地質(zhì)測量相聯(lián)系，能夠更加靈活地應(yīng)對復(fù)雜多變的礦山地質(zhì)條件，進而增加礦山測繪結(jié)果的精確程度，推動礦山開采進度與經(jīng)濟利益的提高。無人機機載激光雷達是指一個測距及探測系統(tǒng)，其集成了IMU﹑GPS以及激光掃描儀的基礎(chǔ)功能。在多個領(lǐng)域當(dāng)中激光雷達技術(shù)均發(fā)揮出其實際使用職能，和其他遙感技術(shù)進行比較也可明顯發(fā)現(xiàn)，激光雷達技術(shù)的應(yīng)用效果更能被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可[2]。在當(dāng)前時期，關(guān)于無人機機載激光雷達的應(yīng)用主要體現(xiàn)于城市三維建?；A(chǔ)測繪以及林業(yè)應(yīng)用﹑電力應(yīng)用﹑鐵路應(yīng)用方面等，在過去的十年，作為一種可精準(zhǔn)﹑快速捕捉地面三維數(shù)據(jù)的工具，此技術(shù)發(fā)揮出了極為寶貴的應(yīng)用價值。且無人機機載激光雷達作為無人機和激光雷達進行有機結(jié)合的一種應(yīng)用系統(tǒng)，可以有效﹑直接地測量三維現(xiàn)實世界，所獲得的數(shù)據(jù)精度高，可全天候作業(yè)，其作業(yè)層次細(xì)節(jié)極為豐富。近些年，隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達技術(shù)的高速迭代，此技術(shù)的應(yīng)用成本也呈現(xiàn)了不斷下降的趨勢，因此在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用此技術(shù)可獲得更為理想的成本效益。

無人機機載激光雷達技術(shù)相比于現(xiàn)有的航空攝影測量技術(shù)，基于成像原理以及所獲取的原始數(shù)據(jù)有所差別，無人機機載激光雷達技術(shù)可解決傳統(tǒng)測繪工作中，植被提取﹑夜晚作業(yè)﹑dem提取等多類工作時存在的困難，這也是通過使用傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)無法獲得的效果。

關(guān)于無人機機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用特點具體表現(xiàn)為以下方面：①可以提供點間距小于1米的密集點陣數(shù)據(jù)。②能夠穿透植被的葉冠。③不需要或者是很少需要切實進入測量現(xiàn)場。④能夠同時測量地面以及非地面層。⑤所測量的數(shù)據(jù)絕對精度會保持在0.3m以內(nèi)。⑥24小時全天候均可作業(yè)。⑦有著快速獲取數(shù)據(jù)的能力。

由以上分析可明顯發(fā)現(xiàn)無人機機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，因此在當(dāng)代礦山地質(zhì)測繪工作當(dāng)中，此技術(shù)成為不容或缺的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于三維建模﹑地形測繪﹑等多個領(lǐng)域當(dāng)中。且隨著我國各領(lǐng)域?qū)o人機機載激光雷達技術(shù)的需求及市場呈不斷擴大的狀態(tài)，在國內(nèi)也有極多企業(yè)參與至機載激光雷達技術(shù)以及產(chǎn)品的研發(fā)工作中，不少優(yōu)秀激光雷達企業(yè)也因此而崛起﹑成為激光雷達行業(yè)中的翹楚。且將該技術(shù)應(yīng)用于礦山地質(zhì)測繪工作中，可為礦山的開采提供精準(zhǔn)有效的地質(zhì)信息。由此可明顯發(fā)現(xiàn)，無人機機載激光雷達技術(shù)的發(fā)展正處于極為理想的狀態(tài)，關(guān)于此技術(shù)的應(yīng)用問題也需要進行更深層次的探究，精準(zhǔn)把握此技術(shù)的應(yīng)用價值與應(yīng)用方向，為各領(lǐng)域的發(fā)展提供促進作用[3]。

2 礦山地質(zhì)測繪的環(huán)境分析

根據(jù)我國礦山環(huán)境的基本環(huán)境進行綜合分析可明顯發(fā)現(xiàn)，其狀態(tài)并非處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于經(jīng)常性開挖礦山，導(dǎo)致開發(fā)區(qū)與周圍的礦山也因此而受到影響產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形的問題，例如：地基沉降等，此種情況既會使部分礦山資源因此而受到掩蓋，也會增加測量及開采的難度。

基于礦山環(huán)境出現(xiàn)變動情況，將使得我國礦山地質(zhì)測繪工作面臨著極多的困難，因此在正式開展開采工作之前，一定要保證礦山地質(zhì)測繪工作的質(zhì)量和工作人員的安全，以此為基礎(chǔ)方可開采礦山。而從礦山測繪整體的層面出發(fā)，因為并未擁有良好的條件，在測繪工作以及開采工作等各個環(huán)節(jié)經(jīng)常存在著不同程度的難度，同時，我國礦山多是處于山地和山區(qū)當(dāng)中，一定程度上將會因為多種因素影響測繪工作，例如：交通缺乏便利﹑難以擁有較高的可視度等，這類因素均會為測繪工作的順利實施帶來阻礙。基于此，為了最大程度地降低礦山環(huán)境針對地質(zhì)測繪工作帶來的實質(zhì)影響，在針對礦山進行地質(zhì)測繪工作的過程中，將無人機機載激光雷達技術(shù)應(yīng)用其中，作為一種可精準(zhǔn)﹑快速捕捉地面三維數(shù)據(jù)的工具，此技術(shù)發(fā)揮出了極大的應(yīng)用價值，可以有效﹑直接地測量三維現(xiàn)實世界，所獲得的數(shù)據(jù)精度高，便于實現(xiàn)科學(xué)﹑合理展開測繪工作的目標(biāo)，保證測繪工作的準(zhǔn)確度，輔助測繪工作人員獲得更加精準(zhǔn)的礦山地質(zhì)信息[4]。

3 礦山地質(zhì)測繪工作的重要性

在進行礦產(chǎn)資源開采工作前，一定要重點關(guān)注準(zhǔn)備工作的有效性，結(jié)合所要開采區(qū)域的地形﹑地區(qū)氣候以及水文條件等相關(guān)信息展開全面勘查，通過精準(zhǔn)了解地質(zhì)情況后，以此為基礎(chǔ)，使用科學(xué)方法對所獲取的信息展開整合分析，并逐步構(gòu)建起高效完備的礦產(chǎn)資源開采計劃方案，以便為后期順利執(zhí)行資源開采工作奠定堅實的根基[5]。由此也可充分說明，礦產(chǎn)資源開采利用與地質(zhì)測繪工作具有不可分割的密切聯(lián)系，確保地質(zhì)測繪工作的有效性，將保證礦產(chǎn)資源開發(fā)工作的合理性與科學(xué)性，在此過程中，高質(zhì)量的地質(zhì)測繪工作也將對礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作具有積極促進作用。在展開測繪工作時，結(jié)合無人機機載激光雷達技術(shù)，可以有效﹑精準(zhǔn)的對礦山地址進行測繪。無人機機載激光雷達技術(shù)的發(fā)展正處于極為理想的狀態(tài)，該技術(shù)是當(dāng)代測繪工作當(dāng)中不容或缺的重要組成部分，采用該技術(shù)可節(jié)約測繪工作時間，降低測繪工作成本，并保證測繪工作中獲得的數(shù)據(jù)具有極高的精準(zhǔn)性，最終實現(xiàn)提高礦產(chǎn)資源開發(fā)效率的基本目標(biāo)。

4 基于礦山地質(zhì)測繪的無人機機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用策略

4.1 架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站

為保證順利進行礦山地質(zhì)測繪工作，架設(shè)GNSS基站,并結(jié)合礦山工程實際測繪需求，處于礦區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)控制點，同時對接i80接收設(shè)備和基站，促使二者呈現(xiàn)實時通訊的良好狀態(tài)。

處于此過程中，在架設(shè)GNSS基站時，工作人員需要確?？蓾M足以下要求，①在架設(shè)基站前需要提前定位控制點坐標(biāo)，以此為基礎(chǔ)，針對基站展開整平處理，保證測繪點和控制點能夠處于最終狀態(tài)。②在進行基站天線高度測量工作時，具體需要采用斜側(cè)的方法，由腳手架的三個空檔區(qū)域出發(fā)展開測量工作，并將每個空檔區(qū)域間的夾角調(diào)整為120.0°，在測量過程中，控制天線高度與側(cè)板測量結(jié)果精度，需保持在1.0mm范圍內(nèi)，誤差則應(yīng)當(dāng)小于4.0mm，并取多次測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。在上述提出過程中，基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方式具體如圖1所顯示。

圖1 基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方法

結(jié)合上圖1所提出的基本方法，針對基站天線高度進行標(biāo)準(zhǔn)化測量后，需要確保基站采樣頻率處于3.0Hz至6.0Hz的范圍內(nèi)，且基站當(dāng)中所有的觀測數(shù)據(jù)均應(yīng)當(dāng)配置GPS定位點和BDS作為主要支撐，兩者衛(wèi)星數(shù)總和需要大于或者是等于16.0個，在保存數(shù)據(jù)時，則應(yīng)當(dāng)將數(shù)據(jù)保存為HCN格式和ReniX30.25格式的文件各一份。

在架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的過程中，工作人員需要結(jié)合基站現(xiàn)場實際環(huán)境展開細(xì)化勘察，并根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情應(yīng)用Pro地面站儀器規(guī)劃無人機機載激光雷達巡航路徑。在完成規(guī)劃工作后，具體應(yīng)用三臺無人機設(shè)備對預(yù)先規(guī)劃的巡航路線展開探測，確保所有無人機設(shè)備均可完全返回后，此時便可判定此路線能夠符合基本測繪標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合上述分析完成對礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的架設(shè)工作，以及對巡檢路線的設(shè)定工作。

4.2 以無人機機載激光雷達技術(shù)采集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)

在完成上一階段的基礎(chǔ)工作后，針對無人機機載激光雷達的飛行狀態(tài)與可持續(xù)續(xù)航展開檢測，確保所有指標(biāo)均可滿足測繪條件時，再展開無人機機載的標(biāo)準(zhǔn)化安裝工作。以此種設(shè)備采集礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，且在采集數(shù)據(jù)時，需要使用多臺手持控制設(shè)備，針對無人機的飛行方向展開調(diào)整與控制，對接終端接收裝置和無線通信裝置，保證所獲取到的信息能夠有效傳輸至終端部位。在高空飛行的過程中，無人機的飛行過程偏離預(yù)設(shè)軌道或超過8.0km后，終端將快速發(fā)出預(yù)警，結(jié)合以上步驟規(guī)范化設(shè)計，礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)采集工作過程的具體內(nèi)容如下：

設(shè)定無人機機載激光雷達參數(shù)，其中包含激光掃描儀器的參數(shù)以及拍攝錄像設(shè)備的參數(shù)等。在實施測繪工作的過程中，使用POS完成數(shù)據(jù)的采集處理工作，在正式執(zhí)行工程時，確保無人機機載激光雷達科處于靜止?fàn)顟B(tài)2.0min至3.0min，在此過程中，主要目標(biāo)是為了獲取更多關(guān)于礦區(qū)的靜態(tài)信息，為下一階段處理測繪數(shù)據(jù)做好充足的前期準(zhǔn)備。以此為基礎(chǔ)，工作人員操控?zé)o人機機載激光雷達設(shè)備呈8字形的形式完成高空飛行，在設(shè)備處于穩(wěn)定運行狀態(tài)之后，在終端計算機設(shè)備當(dāng)中展開測繪調(diào)控，并開啟激光數(shù)據(jù)采集工作和影像數(shù)據(jù)采集工作。在獲取礦山地質(zhì)影像后，控制計算機設(shè)備并點擊結(jié)束采集的按鈕召回?zé)o人機機載激光雷達。無人機機載設(shè)備在安全﹑平穩(wěn)的返回后，將此過程所獲取到的影像數(shù)據(jù)與相關(guān)信息拷貝出來，并存儲于某指定硬盤當(dāng)中。在完成對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的測繪后，整理影像軟件﹑歸納相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將其劃分為四類，如下表1。

表1 無人機機載激光雷達獲取信息分類

在完成分類處理獲取的信息之后，將存儲于HCN當(dāng)中的原始信息展開格式轉(zhuǎn)換操作，并設(shè)置信息天線，使其生成標(biāo)準(zhǔn)的Renix30.25格式文件。處于此過程中，主要可使用Dara軟件予以操作。

在完成上述處理工作時，運用TialExplorer7.0軟件工具，針對圖像完成處理，此軟件多用于各種格式的文件信息處理，其中包含重疊信息﹑導(dǎo)航信息﹑誤差信息等。此處理過程為新建地質(zhì)工程文件夾——轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)格式——由終端添加基準(zhǔn)站信息和移動信息——處理GNSS數(shù)據(jù)解算——Combienc——圖像平滑處理——導(dǎo)出圖像處理結(jié)果。通過完成上述步驟，達到對無人機機載激光雷達信息數(shù)據(jù)的采集和處理。

4.3 礦山地質(zhì)點原數(shù)據(jù)的測繪成圖過程

在采集并處理過影像信息后，使用Pre軟件將激光數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進行深度融合，融合后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)算流程，促使信息呈現(xiàn)于GCGS1000坐標(biāo)軸下，由此生成一個礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)，并對照相應(yīng)數(shù)據(jù)類型分類礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)集合，生成符合礦山地質(zhì)環(huán)境的高層信息點﹑等高線，具體處理過程為：礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)集合自動歸類——工作人員實測點信息，對歸類結(jié)果展開人工檢測——應(yīng)用計算機設(shè)備人工編輯采樣結(jié)果——生成礦山地表層礦山測繪點集合——構(gòu)建數(shù)字化高程信息模型——生成點云分類結(jié)果。

在對點云數(shù)據(jù)的分類處理之后，依照DEM模型針對圖像信息完成初步建模，以工作人員人工操作為輔助矯正模型。使用手動分離的形式處理所生成模型當(dāng)中不符合測繪工程的三角網(wǎng)，并將模型當(dāng)中并未分離的三角網(wǎng)信息進行地面矯正，直到所構(gòu)建的所有三角網(wǎng)均能符合地質(zhì)工程測繪的基本標(biāo)準(zhǔn)集。針對其中一些突出的高程數(shù)據(jù)，具體可應(yīng)用矯正軟件分離等高線的形式調(diào)整其參數(shù)，并對所有網(wǎng)格展開最小化處理﹑確保測繪結(jié)果高精度。

在對測繪的點云數(shù)據(jù)展開高精度劃分之后，分離測繪數(shù)據(jù)集合中的等高線定位線中的關(guān)鍵點，具體可應(yīng)用CAD軟件針對測繪圖像進行自動生成處理。在生成中設(shè)置最小面積等比例尺度和光滑度等參數(shù)。在生成圖像時，所有等高線均應(yīng)當(dāng)按照等高程比例尺進行縮放處理，結(jié)合不同點間隔生成點云坐標(biāo)，將坐標(biāo)文件導(dǎo)入Cass軟件﹑完成編輯操作，以此方式實現(xiàn)對測繪結(jié)果的成圖處理。

5 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的理論研究可明顯發(fā)現(xiàn)，將無人機機載激光雷達技術(shù)應(yīng)用于礦山地質(zhì)測繪工作中，可取得良好的應(yīng)用成效?；诖耍槍o人機機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用問題進行深層次探究，結(jié)合礦山地質(zhì)測繪工作的實際特點，探尋此技術(shù)的應(yīng)用方式，以此技術(shù)的多種優(yōu)勢解決以往測繪工作中存在難度高﹑精度低等多種問題，實現(xiàn)良好的礦山工程地質(zhì)測繪工作成效﹑提高其工作效率。