輕型機(jī)載LiDAR在礦山地形測(cè)量中的應(yīng)用與探討

普 巴

（西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地?zé)岬刭|(zhì)大隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

LiDAR(LIght Detection And Ranging)技術(shù)同時(shí)集成了激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)這3種技術(shù)手段，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后自動(dòng)生成數(shù)字化三維模型。上述3種技術(shù)在集成應(yīng)用之后，在一致絕對(duì)測(cè)量點(diǎn)位條件下可以采集附近三維實(shí)景信息。

根據(jù)目前我國(guó)工程測(cè)繪的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，為了不斷提升測(cè)繪精度，對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，尤其是避免測(cè)繪誤差這一層面。應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)，開展礦山地形測(cè)量工作不僅測(cè)繪效率、精度更高，而且輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)支持1∶1000大比例尺地形圖，使測(cè)繪結(jié)果更加清晰，有效避免了測(cè)繪誤差。但是目前在應(yīng)用LiDAR技術(shù)時(shí)，依然存在技術(shù)操作方面的問題。為此，本文針對(duì)輕型機(jī)載LiDAR在礦山地形測(cè)量中的應(yīng)用展開分析，結(jié)合LiDAR技術(shù)原理探討其在礦山地形測(cè)繪中的實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪技術(shù)形式的創(chuàng)新。

1 LiDAR技術(shù)原理

LiDAR技術(shù)主要應(yīng)用激光雷達(dá)，而激光雷達(dá)的原理和無線電雷達(dá)有很高的相似度，都是通過雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)傳輸信號(hào)，在目標(biāo)反射之后，接收系統(tǒng)采集信號(hào)，測(cè)量反射光運(yùn)行時(shí)間，便可明確目標(biāo)距離[1]。測(cè)量目標(biāo)徑向速度，主要依靠的是反射光多普勒頻移，支持同時(shí)測(cè)量及以上距離，計(jì)算得出變化率與實(shí)際速度。根據(jù)激光雷達(dá)原理的分析，也可發(fā)現(xiàn)直接探測(cè)型激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)、激光測(cè)距機(jī)之間的相似度也非常高。LiDAR技術(shù)分為兩種類型，其一是在采集地面數(shù)字高程模型(DEM)中應(yīng)用的地形LIDAR系統(tǒng)，其二是采集水下水文信息的LIDAR系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)均是通過激光達(dá)到探測(cè)、測(cè)量的目的。

礦山地形測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，是在LiDAR技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的測(cè)繪系統(tǒng)。對(duì)比其他測(cè)繪系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行原理更加簡(jiǎn)潔。如果測(cè)區(qū)已知模、方向以及起點(diǎn)坐標(biāo)向量，那么可以選定7點(diǎn)鐘位置，放置激光發(fā)射器，通過輕型機(jī)載系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)差分GPS系統(tǒng)，明確向量另外一端坐標(biāo)。此向量模也可以作為測(cè)區(qū)地面激光腳點(diǎn)、激光測(cè)距儀間距的數(shù)值，測(cè)量期間通過輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含IMU系統(tǒng)，可采集對(duì)應(yīng)向量姿態(tài)數(shù)據(jù)。在此方面對(duì)比其他的測(cè)量技術(shù)，LiDAR系統(tǒng)可以憑借誤差校驗(yàn)的功能，在礦山地下測(cè)繪以外的城市測(cè)繪和規(guī)劃工作中得到廣泛應(yīng)用[2]。

2 輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

2.1 激光測(cè)距儀

礦山測(cè)區(qū)內(nèi)應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，系統(tǒng)中的激光測(cè)距儀的作用范圍在3.5m～5000m，測(cè)量誤差分別在±1m、±0.5m、±0.15m、1mm以下，可根據(jù)測(cè)量人員提前設(shè)定方向，直接發(fā)射出激光脈沖，從而對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)其中一個(gè)部分的距離進(jìn)行測(cè)量。如果發(fā)射階段已經(jīng)完成，還可采用激光測(cè)距儀接收回波。

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

礦山測(cè)繪利用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)得激光數(shù)據(jù)的處理，需要用到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，包括Terra Photo、Terra Scan。

其中Terra Photo軟件在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)處理測(cè)得的原始數(shù)碼影像，如果系統(tǒng)測(cè)量得到測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)模型和姿態(tài)數(shù)據(jù)等原始數(shù)碼影像，便可以將其上傳到該軟件，利用軟件自帶功能對(duì)原始數(shù)碼影像展開鑲嵌、全自動(dòng)空三平差處理，最后也得到正射影像圖[3]。另外，Terra Scan軟件主要負(fù)責(zé)不同類型的激光測(cè)距數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)測(cè)得激光測(cè)距數(shù)據(jù)之后，同樣需要由測(cè)繪人員上傳到該軟件。軟件自帶分類標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)完成激光數(shù)據(jù)的測(cè)距處理。根據(jù)礦山地形測(cè)繪經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)Terra Scan軟件的優(yōu)勢(shì)主要是通過激光數(shù)據(jù)，了解測(cè)區(qū)相應(yīng)位置面積、體積、輪廓線以及等高線數(shù)值。

2.3 GPS系統(tǒng)

輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)中包含GPS系統(tǒng)，即動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS，其作用是提高測(cè)繪精度，使礦山地形測(cè)量中的定位精度能夠滿足厘米水平的要求。

測(cè)繪人員在測(cè)區(qū)的基準(zhǔn)站、電機(jī)處放置多臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)，同時(shí)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。如果發(fā)現(xiàn)了GPS信號(hào)，可以直接利用GPS系統(tǒng)的載波相位差分定位技術(shù)，獲取LiDAR三維坐標(biāo)，這是繪制大比例地形圖非常重要的數(shù)據(jù)來源。

2.4 IMU系統(tǒng)

系統(tǒng)中的IMU系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)非常關(guān)鍵的輔助，礦山地形測(cè)量過程利用IMU系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)傳感器瞬間移動(dòng)，而且該系統(tǒng)也具備測(cè)速、定位等諸多優(yōu)勢(shì)，使DGPS系統(tǒng)的測(cè)量功能得到改善。已經(jīng)采集到數(shù)據(jù)后IMU系統(tǒng)通過卡爾曼濾波便可處理。

2.5 數(shù)據(jù)與圖像儲(chǔ)存設(shè)備

礦山地形測(cè)量中應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，測(cè)區(qū)內(nèi)通過激光測(cè)距儀等設(shè)備采集得到原始數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，而且IMU、激光處理軟件等處理之后的數(shù)據(jù)無法保證完整，所以面臨激光數(shù)據(jù)處理軟件提出的處理要求，系統(tǒng)為所有處理模塊提供原始數(shù)據(jù)，這便體現(xiàn)出數(shù)據(jù)與圖像的儲(chǔ)存設(shè)備優(yōu)勢(shì)，滿足礦山地形測(cè)量要求[5]。

2.6 POS設(shè)備

POS系統(tǒng)在輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)中的運(yùn)行，利于系統(tǒng)內(nèi)置慣性測(cè)量裝置、動(dòng)態(tài)差分GPS系統(tǒng)，可以在測(cè)區(qū)航測(cè)期間，采集傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置信息。

3.培養(yǎng)良好的語文學(xué)習(xí)習(xí)慣。凡是學(xué)困生幾乎都有一個(gè)共性，那就是沒有養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。從課堂常規(guī)及語文學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)習(xí)慣做起，根除危害學(xué)困生成長(zhǎng)的不良習(xí)慣。

在采集數(shù)據(jù)之后，POS系統(tǒng)還會(huì)利于卡爾曼濾波，得到更高精度的外方位信息，充分發(fā)揮出LiDAR系統(tǒng)定向與定位功能的優(yōu)勢(shì)。

2.7 數(shù)碼相機(jī)

如果采用具有單一性質(zhì)的輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，并不能測(cè)量得到礦山測(cè)區(qū)內(nèi)點(diǎn)位光譜數(shù)據(jù)[6]。所以，建議將LiDAR系統(tǒng)和數(shù)碼相機(jī)結(jié)合，采集紅外數(shù)字影像、真彩影像數(shù)據(jù)。礦山地形測(cè)量期間，數(shù)碼相繼利于連續(xù)曝光采集測(cè)區(qū)任意位置連續(xù)影像數(shù)據(jù)，根據(jù)LiDAR系統(tǒng)運(yùn)行原理，數(shù)碼相機(jī)可作為IMU數(shù)據(jù)的來源途徑，通過IMU和數(shù)碼相機(jī)的融合，確保LiDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度。

3 礦山地形測(cè)量應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR流程

3.1 選擇采集數(shù)據(jù)的方法

3.1.1 航飛高度

輕型機(jī)載LiDAR在礦山地形測(cè)量中，激光測(cè)距、GPS定位、IMU姿態(tài)、掃描角等相應(yīng)的測(cè)量值精度非常重要，基于所有參量量測(cè)誤差一定的條件下，系數(shù)往往會(huì)根據(jù)掃描角與測(cè)距值變化而做出改變[7]。

一般掃描角誤差固定，而且在出廠是就已經(jīng)測(cè)定，所以系數(shù)會(huì)跟隨測(cè)距值變化做出改變。測(cè)距值和航飛高度密切相關(guān)，如果航飛高度低，那么測(cè)距值也就相對(duì)較小，系數(shù)誤差也因此減小。綜上，為了保證飛行安全，建議將航飛高度設(shè)定為170m為最佳。

3.1.2 飛行航線

礦山地形測(cè)量階段飛行航線的設(shè)計(jì)，建議沿著不同的排列方向交叉飛行，期間便可采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利于低空高重疊度，實(shí)現(xiàn)飛行航線的交叉，使點(diǎn)云密度得到提升，也可因此得到紋理數(shù)據(jù)。

例如某礦山測(cè)區(qū)面積為6km，總體上面積較小，測(cè)區(qū)中心位置建設(shè)1個(gè)基站。此次測(cè)量過程中，設(shè)定數(shù)據(jù)采集技術(shù)的參數(shù)如下：①相對(duì)行高170m；②飛行速度100km/h；③激光發(fā)射頻率0kHz；④激光掃描角70°；⑤激光帶寬40m；⑥激光點(diǎn)點(diǎn)間距0.15m。飛行作業(yè)期間基站開機(jī)，并在三角翼上方搭載GPS進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)繪人員在三角翼正式起飛前、停機(jī)后的5分鐘，可以依次開啟/關(guān)閉GPS接收機(jī)[8]。

3.2 布設(shè)地面控制

3.3 地面測(cè)量作業(yè)

開始礦山的地面測(cè)量工作之后，確定地面控制測(cè)量的方法，例如選擇網(wǎng)絡(luò)RTK。針對(duì)地面控制點(diǎn)的測(cè)量，測(cè)量人員需要實(shí)時(shí)記錄所有坐標(biāo)系成果，為后續(xù)轉(zhuǎn)換測(cè)量坐標(biāo)系提供參考。

測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)控制面板，測(cè)繪人員選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，確定其三維坐標(biāo)，確保選擇的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)連線可以組成閉合四邊形，且面積需在0.5m以上[9]。確定好測(cè)量側(cè)面后，校正點(diǎn)云絕對(duì)精度。最后測(cè)量人員需要檢查測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)數(shù)量，選擇合適的位置放置GPS。

3.4 處理測(cè)量數(shù)據(jù)

礦山地形測(cè)量所的測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。測(cè)繪人員選擇架構(gòu)航向，將其作為基準(zhǔn)，對(duì)縱向航線姿態(tài)、位置等進(jìn)行調(diào)整，確保縱向航線、架構(gòu)航線的點(diǎn)云結(jié)合，并對(duì)其他橫向航線進(jìn)行調(diào)整，最終得到所有點(diǎn)云拼接的效果[10]。校正點(diǎn)云絕對(duì)精度階段，可以使用控制數(shù)據(jù)，對(duì)已經(jīng)拼接完點(diǎn)云進(jìn)行校正，礦山地形測(cè)量過程中所有斜面均參與平差，且殘差應(yīng)在0.03m以下。待校正工作結(jié)束之后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合，不能有分層現(xiàn)象存在，已經(jīng)融合的多航帶點(diǎn)云厚度需要和單一航帶點(diǎn)云相同。

采集低空高重疊交叉航線的參數(shù)，可以從中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較大的密度，而且大量點(diǎn)云也是地形測(cè)繪是冗余數(shù)據(jù)。建議采用點(diǎn)云投影的方法，將其投影到二維平面頂視圖中，冗余點(diǎn)云會(huì)對(duì)矢量化數(shù)據(jù)加載效率造成干擾，也會(huì)增加建筑物邊緣判斷難度。所以，平面(X，Y方向)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以抽稀處理[11]。X，Y方向抽稀是0.5m/點(diǎn)，高度在1m以下地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要全部刪除，為后續(xù)采集建筑物邊緣信息提供方便。

其次是礦山構(gòu)筑物界址點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，獲取到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，測(cè)繪人員將其上傳到數(shù)據(jù)處理軟件中。由于房屋邊緣立面(Z方向)點(diǎn)云存在疊加現(xiàn)象，所以紋理特征也十分顯著。紋理經(jīng)過矢量化處理，可獲得線劃圖，而矢量化處理過程中，(Z方向)點(diǎn)云也可作為紋理中心。輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)建議選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系進(jìn)行礦山地形測(cè)量，結(jié)合測(cè)區(qū)面積與范圍，可在測(cè)區(qū)附近與中心設(shè)置測(cè)量點(diǎn)以及測(cè)量坐標(biāo)，以此為依據(jù)計(jì)算得出適合測(cè)區(qū)范圍的參數(shù)，從而轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)成果[12]。

4 輕型機(jī)載LiDAR應(yīng)用建議

4.1 高程量測(cè)精度

輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)與其他測(cè)量技術(shù)相比，其最為顯著的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在大比例尺地形圖的繪制這一方面。例如高程量測(cè)精度，在測(cè)繪中大比例尺地形圖需要達(dá)到1∶1000，為此采用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)安全融合，得到繪制的大比例尺地形圖[13]。繪制期間按照礦山測(cè)區(qū)面積布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的像控點(diǎn)，利用POS數(shù)據(jù)、所有像控點(diǎn)，測(cè)區(qū)影像經(jīng)過空三加密，并結(jié)合測(cè)區(qū)參數(shù)搭建立體模型。建筑物與路面等區(qū)域，利用外業(yè)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)區(qū)內(nèi)的其他測(cè)量測(cè)繪工作，建議利用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取。其中提到的空三加密處理方法，有利于提高LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。

測(cè)繪人員使用ISAT自動(dòng)空三軟件，測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)的所有檢查點(diǎn)、控制點(diǎn)直接組成局域網(wǎng)。以上布設(shè)與測(cè)量工作結(jié)束，按照測(cè)區(qū)實(shí)際設(shè)置畸變參數(shù)。

4.2 LiDAR點(diǎn)云分類與轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

測(cè)區(qū)空三加密處理后，輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集到的原始LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要由測(cè)繪人員分類處理，根據(jù)最終分類結(jié)果，獲取地面點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。以免坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)出現(xiàn)明顯誤差，建議采用野外高程控制點(diǎn)糾正坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差，輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)參數(shù)誤差可小于0.13m。

4.3 測(cè)繪精度處理與檢測(cè)

輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，得到的數(shù)據(jù)上傳到VirtuoZo、JX4軟件。測(cè)繪人員在采集到的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中，提取高程標(biāo)記點(diǎn)、測(cè)區(qū)等高線等相關(guān)數(shù)據(jù)，融合測(cè)區(qū)測(cè)圖數(shù)據(jù)，使用編輯技術(shù)可以獲取繪制大比例尺地形圖的信息[14]。

此方面為了保證輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)繪制的大比例尺地形圖更具精度，建議采用抽樣檢測(cè)的方法，檢測(cè)之后輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)得出的大比例尺地形圖與地形測(cè)繪提出的1∶1000要求相符。

5 結(jié)語

綜上所述，測(cè)繪工程在當(dāng)前行業(yè)環(huán)境下，對(duì)于礦山地形測(cè)量技術(shù)提出新的要求。開展礦山地形測(cè)繪過程中應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，借助LiDAR技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，不僅可以提高礦山地形測(cè)量精度，還可以構(gòu)建數(shù)字化三維模型，繪制1∶1000的大比例尺地形圖，滿足礦山地形測(cè)繪對(duì)于精度的要求。應(yīng)用輕型機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光、GPS、INS技術(shù)一體化，但整體來說對(duì)測(cè)繪人員專業(yè)要求比較高，需要高級(jí)專門人才，可以在礦山地形測(cè)量中發(fā)揮出輕型機(jī)載LiDAR的優(yōu)勢(shì)，保證礦山地形測(cè)量效率、精度，也有利于提高LiDAR技術(shù)應(yīng)用水平，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)測(cè)繪工程的現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化發(fā)展。