礦山地形測量中激光雷達測繪技術(shù)的精度研究

王子軍，張治拉

隨著礦山工程規(guī)模的不斷擴大，礦山地形測量工作作為礦山工程中的核心要素，被更多人所重視，激光雷達測繪技術(shù)具有分辨率高、抗擾能力強的特點，將其應(yīng)用在復(fù)雜的礦山地形測量工作中，可以形成一種精度分析方法，提高測量工作的精準度，保證測量工作的高效率，需對其展開深入探討。

1 激光雷達測繪技術(shù)的概述

1.1 技術(shù)分類

激光雷達測繪技術(shù)作為全新的遙感技術(shù)，是以衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心，向被測目標發(fā)射信號，從而獲得測量目標信息，在進行對比分析后繪制成三維坐標數(shù)碼圖像，形成的一種數(shù)碼測繪技術(shù)，以載體為區(qū)分點可將其分為地面三維激光雷達測繪技術(shù)和機載激光雷達測繪技術(shù)。

對于地面三維激光雷達測繪技術(shù)是以地面載體為支撐點，由激光掃描技術(shù)、GPS以及數(shù)碼照相技術(shù)所組成的工作系統(tǒng)，利用地面維度實現(xiàn)測繪工作。具體測繪時，主要利用地面安裝的三維激光掃描系統(tǒng)，對物體進行掃描測量，對所獲得的激光反射回波信息以及所測的目標影像，借助特定的軟件進行建模，以此繪制出等高線圖，并將其作為分析依據(jù)，與地形測量的依據(jù)進行對比、分析，確定其是否滿足精度要求。值得注意的是在整個測量過程中，為保證采集數(shù)據(jù)的高效性，也可在移動設(shè)備上進行搭載，達到提高精度的目的。

機載激光雷達測繪技術(shù)具有速度快、效率高、性能強的特點，在礦山測量工程中被廣泛應(yīng)用。相較于地面三維激光雷達測繪技術(shù)在系統(tǒng)與設(shè)備方面更完善，該系統(tǒng)主要包括GPS定位系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)碼相機、慣性制導(dǎo)儀以及高精度的測量儀器，因設(shè)備方面的先進性，在進行測量時，可以達到動態(tài)測量和遠距離測量效果。具體測量時借助上述設(shè)備，將其進行集成，實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，利用掃描的方式可以改變激光束的發(fā)射方向，使其形成一個機載激光雷達測量系統(tǒng)，對礦山的地理信息數(shù)據(jù)進行采集、對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以及產(chǎn)品制作，保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

1.2 精度分析與測量原理

激光雷達測繪技術(shù)是借助現(xiàn)代光頻波段技術(shù)嚴格把控測量區(qū)域電磁波傳輸和收集工作，以獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)的過程。該技術(shù)應(yīng)用主要是借助激光雷達將激光沖脈發(fā)射到礦山地表中，以此獲取礦山地形的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，利用TerraScan技術(shù)對所接受到數(shù)據(jù)中的亂碼進行刪除，對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行拼接、濾波處理，使其形成坐標數(shù)據(jù)，按照等比例的形式制作生產(chǎn)空間三維模型，將所繪制出的礦山等高線作為精度分析依據(jù)，通過將礦山地形測量的數(shù)據(jù)與所獲得的數(shù)據(jù)進行對比，判斷測量的數(shù)據(jù)是否可以達到精度要求，以此構(gòu)成一個系統(tǒng)，形成的一種精度分析方法。

該技術(shù)的主要原理是在對物體進行測繪時，激光束會對物體表面進行掃描，出現(xiàn)反射的現(xiàn)象，當(dāng)雷達接受到信息后會快速傳輸?shù)嚼走_內(nèi)部系統(tǒng)，根據(jù)光束的運行時間來對物體的距離進行計算，再將系統(tǒng)中所獲得的激光點進行重構(gòu)，使其繪制成圖像（如圖1）。另外，由于接收器一直處于高頻運轉(zhuǎn)的情況，回轉(zhuǎn)的光速頻率較高，所以為保證精度的準確性，可以將高程精度控制在10cm～30cm，平面精度控制在0.15m～1m。

圖1 激光束掃描圖示

1.3 工作內(nèi)容

在礦山數(shù)字化開展過程中，激光雷達測繪技術(shù)的應(yīng)用，通過建立三維數(shù)字模型可以快速的收集信息，對礦山的實際情況進行準確了解，有效降低礦山測量過程中存在的危險，保證工作人員的生命安全。在應(yīng)用的過程中，為保證礦山測量工作的效率，要對其掃描方式進行了解：

其一，對于非機械掃描方式。在該種掃描方式中，最常見的掃描方法是聲光掃描，主要是利用聲光效應(yīng)，借助聲光介質(zhì)，對聲光的疏密程度造成影響，如當(dāng)衍射光角度或者頻率出現(xiàn)變化時，可以確定有衍射效應(yīng)出現(xiàn)，超聲波出現(xiàn)變化，基于此形成的一種掃描系統(tǒng)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光入射角和聲波面夾角達到一定值后，介質(zhì)內(nèi)的衍射光彼此之間會發(fā)生反應(yīng)，低級的衍射光便會留下。與此同時，在非機械掃描方式中，電光掃描時方式也比較常見，主要是利用晶體電光效應(yīng)，當(dāng)掃描到偏移出去的出射光時，光束會發(fā)生變化，在穿過晶體時，會產(chǎn)生相位差，光角度也會隨之發(fā)生改變，激光出射角也會達到偏移的目的。

其二，機械掃描方式。在進行掃描時，該種方式比較常見的是振鏡掃描，將其與掃描電機進行連接，在轉(zhuǎn)動電機的作用下，使轉(zhuǎn)振鏡進行偏移，受鏡面反射的影響，激光出射角會發(fā)生改變，順著X軸轉(zhuǎn)動的振鏡會出現(xiàn)激光光束，并利用反射的原理將其投射到Y(jié)軸旋轉(zhuǎn)振鏡，以此形成一個二維掃描的效果，實現(xiàn)對物體的掃描，但該種掃描方式對靈活性要求較高，在應(yīng)用的過程中要對掃描的頻率進行嚴格控制，并將結(jié)構(gòu)冗余問題考慮到位。

2 激光雷達測繪技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 精準性高

隨著生活水平的提高，人們對礦山能源的需求也隨之增加，應(yīng)用傳統(tǒng)的測量方法不僅為測繪人員帶來較大的難度，大量的勘測工作，還為生態(tài)環(huán)境帶來一定的影響，礦山數(shù)字化建設(shè)工作被更多人所重視，激光雷達測繪技術(shù)的應(yīng)用，因其自身特性，在對目標進行測量工作時，使用的機械設(shè)備比較先進，所測量的結(jié)果誤差比較小，在對數(shù)據(jù)進行收集時，會反復(fù)進行推敲、處理，確保最后所采集的數(shù)據(jù)精準性，并且會形成相應(yīng)的模型，可以有效彌補傳統(tǒng)測量方法中存在的不足，為工作人員提供極大的便利。

2.2 全面性廣

激光雷達測量技術(shù)在應(yīng)用的過程中，主要以電磁波信號的形式進行測繪，利用激光發(fā)射機將信號脈沖發(fā)射到所需測量物體的表面，在這一過程中，由于電磁波信號穿透能力強，對于測量目標的位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及形態(tài)質(zhì)量等數(shù)據(jù)信息均可以通過反射信號呈現(xiàn)，涵蓋范圍較廣，可以將所有的測量要素融入其中。另外，激光雷達測繪技術(shù)在對數(shù)據(jù)處理后，利用數(shù)字化技術(shù)，可以形成三維物理模型，將所有的測繪信息融入其中，通過其直觀性、可視化的特點，為后續(xù)施工人員提供了重要的參考依據(jù)。

2.3 時效性強

礦山大部分處于比較偏遠的區(qū)域，在對其進行測量時，受外在環(huán)境因素的影響，測繪目標會發(fā)生變化，測繪結(jié)果也會發(fā)生改變，為測繪人員帶來較大的難題，為保證測繪結(jié)果的準確性，需要對其時效問題進行重視。激光雷達測繪技術(shù)在進行測量時以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為基點，可以快速對目標進行鎖定，在目標發(fā)生變化時，也可以及時通過信號反射回來，準確收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，保證測量結(jié)果的準確性，進一步提高了測量效率（如圖2）。

圖2 激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)用圖示

3 礦山地形測量中激光雷達測繪技術(shù)精度分析

在對激光雷達測繪技術(shù)有了一定的了解后，要對其在礦山地形測量中的測量精度進行分析，以確保其可以實現(xiàn)最大化的應(yīng)用效率。

3.1 礦山地形數(shù)據(jù)獲取

礦山地形數(shù)據(jù)獲取工作是保證礦山測量精度的重要部分，對后續(xù)數(shù)據(jù)比較、分析具有參考作用，必須對其高度重視。其一，在對數(shù)據(jù)進行獲取時，要對礦山地形測量工作中激光雷達測繪技術(shù)的主要工作步驟進行了解，確保在后續(xù)工作中，可以嚴格按照工作流程進行操作。其二，因數(shù)據(jù)采集的目的是與后期的數(shù)據(jù)進行比較，以保證精度分析的準確性，所以在應(yīng)用該技術(shù)前，要對礦山的實際情況進行了解，根據(jù)礦山的地形特征，來對激光雷達參數(shù)進行準確設(shè)置，例如，對激光點頻的參數(shù)進行設(shè)置，對無人機飛行速度以及掃描電機的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，并將凈空高度以及橫縱向距等數(shù)據(jù)考慮到位，避免因外在因素的影響無法保證數(shù)據(jù)獲取的準確性，影響后續(xù)工作的質(zhì)量。其三，在獲取采點地形數(shù)據(jù)時，通過利用激光雷達測繪技術(shù)中的雷達將激光沖脈射入到礦山地表中，在其抵達地面后，對于激光沖脈所反射的信息，可以利用傳感器將其實時進行接收，并通過光接收機將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，采用GPS裝置可以快速的對傳感器進行定位，在此基礎(chǔ)上，借助慣性測量單元中的測量裝置，對雷達中傳輸?shù)膶崟r姿態(tài)數(shù)據(jù)進行測量，可以準確的獲取到激光沖脈和地面接觸所產(chǎn)生的空間三維坐標，為后續(xù)的空間三維模型的生成提供依據(jù)。其四，對所獲取數(shù)據(jù)中無效的數(shù)據(jù)進行剔除，例如建筑物的數(shù)據(jù)、植被的數(shù)據(jù)，并采用分類技術(shù)對數(shù)據(jù)中的亂碼情況進行合理編排和處理，以確保所獲取數(shù)據(jù)的準確性、全面性。

3.2 礦山地形數(shù)據(jù)處理

礦山地形數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精度與其有著直接影響的是礦山地形數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，因礦山地形較為復(fù)雜，在應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)時，所采集的數(shù)據(jù)較多，為保證數(shù)據(jù)的精度，對其進行處理時，要嚴格按照處理流程進行操作，最大化的保證數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)的處理效率。首先，在對激光雷達測繪技術(shù)進行處理時，一般采用TerraScan技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢，當(dāng)傳感器中所反射回的信息在沒有信號的區(qū)域或者激光沖脈的落腳點在水域時，信息會以亂碼的形式進行呈現(xiàn)，工作人員會在第一時間內(nèi)對其進行處理，降低無效信息的存在。其次，受礦山地形因素的影響，激光雷達在測量時，所掃描的內(nèi)容過于繁瑣，測量的內(nèi)容較為復(fù)雜，導(dǎo)致在掃描的過程中經(jīng)常存在重復(fù)掃描的情況，對于重復(fù)掃描的區(qū)域每次掃描的數(shù)據(jù)都會存在著不同，這時需要工作人員對存在差異的數(shù)據(jù)進行分析、整理，并對重疊區(qū)域的激光數(shù)據(jù)進行分類，做好拼接工作，以此保證所有掃描平面的數(shù)據(jù)都在正常范圍內(nèi)，使重疊區(qū)域和非重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)真正做到無縫對接。最后，對其它的數(shù)據(jù)進行濾波處理，在濾波處理后，對存在模糊或者地形顯現(xiàn)不明顯的數(shù)據(jù)進行清除，確保所遺留下的數(shù)據(jù)都精準、可靠，以此不僅可以縮小數(shù)據(jù)文件，提高其便捷性，還最大化的保證了數(shù)據(jù)的精準度，為后續(xù)數(shù)據(jù)精度分析提供保障。

3.3 礦山地形測量精度分析

在對礦山地形測量精度進行分析時，主要是將已經(jīng)處理完畢的數(shù)據(jù)進行繪制，結(jié)合礦山地形將其等比例的制作成空間三維模型。在制作模型的過程中，對于模型網(wǎng)絡(luò)間距要嚴格控制，對礦山地形的等高距要明確，為確保二者符合比例尺要求，選取模型中的部分數(shù)據(jù)為精度對比依據(jù)，可以有效提高對比效率，并且通過該種方式，可以對其是否符合預(yù)先定制的精度要求進行判斷，達到精度研究的目的。在具體進行分析時，要做到以下幾點：其一，對處理后的數(shù)據(jù)進行分類，為提高工作效率，可以采用云技術(shù)方式進行處理，通過對礦山地面中各個點的坐標數(shù)據(jù)進行提取，根據(jù)所提取數(shù)據(jù)的結(jié)果，結(jié)合實際情況，將其按照等比例的方式生成數(shù)據(jù)表面模型（如圖3）。其二，對于所生成模型中的關(guān)鍵點，要按照掃描出的數(shù)據(jù)，將具體信息標記數(shù)據(jù)模型中，并結(jié)合實際情況，將礦山地形等高線圖生成，以此完成模型的初步雛形。其三，對于檢查點的選擇，一般選擇不同植被覆蓋程度、顯著地形以及不同高度等具有代表性的數(shù)據(jù)點作為檢查點，將檢查與礦山地形中所測的數(shù)據(jù)進行對比，可以及時發(fā)現(xiàn)各點位之間的誤差，并以此為依據(jù)，計算出礦山地形等高線的平均誤差，最大化的分析出礦山地形測量的精度。

圖3 礦山地形數(shù)字表面模型

4 實驗探究

4.1 實驗方法

本次實驗的主要目的是對激光雷達測繪技術(shù)在礦山地形測量中應(yīng)用的實效性進行證明，所選取的實驗方法是將傳統(tǒng)測量方法與激光雷達測繪技術(shù)方法進行比較，選擇同一個礦區(qū)，所使用的掃描系統(tǒng)均為OptechALTN激光雷達掃描系統(tǒng)，現(xiàn)將飛行速度控制在45km/h，激光點頻控制在96kHz，凈空高度設(shè)置在900m，掃描電機參數(shù)為500rpm，對于橫向點距和縱向點距分別控制在1.3m、1.4m，在保證各項參數(shù)指標一致的情況下開始實驗。

4.2 實驗結(jié)果分析

在本次實驗中設(shè)置檢查點共計40個，包括平面檢查點20個，高程檢查點20個，原有分析方法下的精度分析中平面檢查點平均誤差為0.18mm，高程檢查點平均誤差為0.16mm，精度分析準確度為85.59；激光雷達測繪技術(shù)方法中平面檢查點平均誤差為0.09mm，高程檢查點平均誤差為0.11mm，精度分析準確度為97.60，綜上可以看出兩組的誤差均在0mm～0.2mm，激光雷達測繪技術(shù)在高程檢查點平均誤差、平面檢查點平均誤差均小于原有分析方法，并且精度分析準確度，相較于原有分析方法精度更高，說明在礦山地形測量中，激光雷達測繪技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高測量效率，應(yīng)被廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

總而言之，將激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)用在礦山測量工程中，順應(yīng)工程的發(fā)展需求，不僅可以保證數(shù)據(jù)收集的準確性，提高測量效率，通過對礦山的實際情況進行分析，還可以對礦山中存在的潛在威脅進行預(yù)警，保證工作人員的安全，必須對其深入探索，不斷總結(jié)經(jīng)驗，確保每位工作人員均可以熟練的掌握該項技術(shù)，發(fā)揮其最大的應(yīng)用價值。