机载激光雷达测绘技术在矿山测量中的应用.pdf

TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年10月下 101机载激光雷达测绘技术在矿山测量中的应用李华雄广东省有色金属地质局九三五队 广东 惠州 516001摘 要 由于矿山环境的复杂性，为达到高效、安全生产的目标，矿山工作人员需重视测量工作。但传统的人工测量技术在当下暴露了诸多问题，为提高测绘精度，相关人员需根据矿山现场情况，合理引入机载激光雷达测绘技术，构建全新的测绘技术路线，高质量完成测绘任务。基于此，本文重点分析了矿山测量中机载激光雷达测绘技术的具体应用，对推广应用该技术具有借鉴意义。关键词 矿山测量；机载激光雷达测绘技术；应用Application of Airborne Lidar Mapping Technology in Mine SurveyingLi Hua-xiongNo.935 Branch of Nonferrous Metals Geological Bureau of Guangdong Province,Huizhou 516001,Guangdong Province,ChinaAbstract Due to the complexity of the mine environment,in order to achieve the goal of highly efficient and safe production,the mine staff needs to pay attention to the measurement work.However,the traditional manual measurement technology has exposed many problems at present.In order to improve the accuracy of surveying and mapping,relevant personnel need to reasonably introduce airborne lidar mapping technology according to the situation of the mine site,build a new mapping technology route,and complete the surveying and mapping task with high quality.Based on this condition,this paper focuses on the specific application of airborne lidar mapping technology in mine surveying,which has reference significance for the popularization and application of this technology.Key words mine surveying;airborne lidar mapping technology;application引言近年来，因为矿山作业环境的多变性，传统的测量技术下需投入大量的人力资源，且需要耗费较长时间才能完成测绘任务，后续无论是整合还是分析测量数据，工作量都相对较大。互联网技术持续发展的今天，机载激光雷达测绘具有数字化、自动化特点，在矿山测量中日渐引起了人们的关注，但为获取可靠的测量结果，相关人员需制定合理的测绘方案。1 项目概况以潼湖镇11家采石场所在地的矿山条件作为研究对象，该矿山现场与惠州市中心城区相距较近，仅22km，与广州、深圳等城市车程大约1h，东西走向通过省道S120和江南大道、河惠菀高速公路相连，南北走向经武深高速相连，矿山工程现场的交通便捷。为清晰掌握该矿山现场的地质水文等基本情况，组织专人进入现场展开了一系列测绘工作。依据实际情况，测区总面积为8.28km2，测区呈“L”型，现场为低山丘陵地貌，沟谷发育，相对高差100m200m，局部地段的山体较陡，最大高差205m。由于此矿山现场的地质环境复杂，为获得完整且准确的测量结果，组织专人开展了1500数字化地形图测绘、控制测量、无人机航测，测量-过程中机载激光雷达测绘为核心技术。2 激光雷达与无人机机载激光雷达的概述2.1 激光雷达的概述随着测绘技术的不断发展，测绘技术逐步与计算机技术相结合，促进了测绘的信息化、数字化。而激光雷达为测绘数字化的重要体现，通过脉冲激光照射目标，再由传感器测量反射脉冲返回时间，得到测量目标距离1。目前的经济社会领域，激光雷达技术的应用范围持续扩大，空中、陆地等环境中均可利用该技术得到相应的结果。实际的工作中采用激光雷达技术时，可用于成像的测量具有多样性，如岩石、非金属物体等。比如，一架携带有激光雷达的飞机，能以30cm或者更高分辨率绘制被测区域内的地形，不仅能在短时间内完成测绘任务，还能保障测绘数据的可靠性。激光雷达有悠久的发展历史，在20世纪30年代率先提出，最初被应用在探照灯探测大气方面。此后随着技术的进步，激光雷达的应用范围逐步扩展，在当下在气象学等领域的应用效果突出，在飞机或卫星上安装了激光雷 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化102 科学与信息化2023年10月下达仪器后即可完成高空测绘。矿山领域激光雷达也不可或缺，因为矿山测绘的技术难度大，人工测量很难完成测绘任务，为克服人工测量的不足，应用激光雷达十分必要。如在矿山测量中应用激光雷达，传感器、扫描仪、光学仪器、定位与导航系统等必不可少，通过不同部分之间的相互配合，可高质量完成测绘任务。激光雷达的构成复杂，激光的作用突出，正常情况下激光有功率上限值，在具体应用中如功率较大，系统将自动关闭激光，以保障地面人员的眼睛舒适与安全。1550纳米激光器对眼睛的危害较小，因为在较高的功率条件下，这一波长不会被眼睛所吸收，但因为检测器技术发展尚不成熟，在应用这类波长开展矿山测量时很难获得高精度的测绘数据，如对精度要求不高的矿山测量任务，可采用这一波长的激光完成检测。部分企业在测量过程中配备了固态激光雷达装置，此装置存在一定的功能缺陷，难以满足测绘工作的现实要求。另外，激光雷达中传感器也为关键构成，能在测绘过程中负责采集、传输和分析数据。2.2 无人机机载激光雷达的概述矿山地质测绘的难度大，传统测绘技术下面临重重困难，而引入现代测绘技术，可克服诸多难题，在短时间内得到高精度的测绘结果，真正用测绘结果判断矿山现场的地质地貌等基本情况，后续的开采作业中严格以测绘数据为参照，制定科学且合理的作业方案，发挥测绘数据的价值。无人机机载激光雷达的系统构成复杂，在该系统下可完成测距与探测，还兼具IMU、GPS和激光扫描多重功能。当前的很多领域激光雷达技术都发挥了其优势，与其他遥感技术相比较，前者的应用效果相对理想，受到了人们的更多关注。针对无人机机载激光雷达技术，在城市三维建模基础测绘、林业、电力、铁路等方面都有突出应用，无论应用在何种场合，该技术都能在短时间内得到完整且高精度的地面三维数据，在后续的工作中直接利用这些数据2。近年来，随着时代的变革，激光雷达技术的发展步伐明显加快，在很多测绘领域都取得了良好的应用效果。将无人机机载激光雷达与航空摄影测量技术相对比，二者的成像原理、原始数据等有明显区别。在具体的测绘工作领域，如能合理应用无人机机载激光雷达技术，可克服传统测绘技术的诸多限制，即使面临植被提取、夜晚作业，均能得到相对可靠的测绘结果，显然在这些方面不可利用传统的航空摄影测量技术。当前技术发展的过程中，无人机机载激光雷达技术的优势越发明显，主要表现在以下方面：能获得点间距不超1m的密集点阵数据；可穿透植被叶冠，减少植物遮挡对测绘的干扰；现场测绘工作量大大减少；能同时测量地面与非地面层；获取的测绘数据有较高的精度；能全天候作业；效率高3。正是因为无人机机载激光技术的这些优势，在矿山测量中此项技术的重要性日渐凸显。3 矿山测量中机载激光雷达测绘技术的具体应用3.1 架设GNSS基站本矿山测量项目中，为突出机载激光雷达测绘技术的优越性，促进测绘任务的高效开展，前期的工作中相关人员应进入矿山现场展开一系列调查，以调查结果为依据合理布设GNSS基站，保障控制点布置的合理性，不仅需保障控制点的数量符合要求，还需控制每个控制点的位置。基站天线高度标准化测量方法如图1所示。图1 基站天线高度标准化测量方法随着行业内对矿山测量提出的新要求，以及矿山测量中机载激光雷达测绘技术的发展，行业内针对架设GNSS基站陆续出台了一系列规范，具体的工作中重点需关注以下方面：正式架设基站之前相关人员应根据现场地质及地形条件，精确定位控制点坐标，以此为前提整平处理基站现场的环境，确保测绘点、控制点均处于最佳状态，为后续的测绘工作创造良好的条件；测量基站天线高度时，斜侧法更为适用，有关人员应在脚手架三个空档区域完成测量任务，但每个空档区域的夹角都需保持在120，测量操作时天线高度与侧板测量结果精度应达到要求，多次测量选择平均值为最终测量结果。根据图1的方法及流程，当完成了基站天线高度的标准化 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年10月下 103测量任务后，相关人员需结合行业内的有关标准，并考虑矿山现场具体情况，将基站采样频率控制在正常区间，且基站中的全部观测数据均应该给其设置GPS定位点、BDS，二者的卫星数总和应大于或等于16。进入测量环节时为在后续合理应用这些数据，实际的工作中应做好数据保存，考虑到系统的特殊性，一般需将数据存储为HCN格式、ReniX30.25格式两种，将这些数据存储于指定文件夹并做好备份。有关人员在架设GNSS基站时，应与专业人员做好沟通与协商，详细了解矿山工程现场的各种信息，以区域地质情况为前提，配备Pro地面站仪器，综合诸多因素规划无人机机载激光雷达巡航路径。当确定路线后，应配备3台无人机，执行该飞行路线，在飞行的过程中获得测区内的完整数据。3.2 采集并处理数据现场有关人员按规定架设好GNSS基站后，相关人员还需检测无人机机载激光雷达的飞行状态、可持续续航情况，当相关内容均符合有关标准后，再开始安装无人机及其他配套设备设施。当安装结束并通过验收后启动系统，在无人机飞行时系统自动采集、传输和分析数据，以得到完整的矿山数据。在采集数据期间需配备多台手持控制设备，动态监测无人机飞行状态，及时采取优化和调整措施。机载激光雷达在测量矿区情况时，主要方法为高空飞行，为高质量完成测绘任务，必须确保无人机以既定路线飞行，一旦无人机飞行时偏离预设轨道或者超过8km，终端将立即反馈并发送预警信号，提醒有关人员进行调整。矿山测量中无人机机载激光雷达测绘时的数据采集流程为：科学设置无人机机载激光雷达的各项参数，如激光扫描仪参数、拍摄录像设备参数等。测绘工作中由POS完成数据采集任务，正式开始采集数据时必须使激光雷达在23min内保持静止状态，在此期间由专人负责记录并分析数据，得到矿区的静态数据，将这些数据作为后续有关工作的依据。由专人操作无人机，使无人机在飞行期间系统自动采集数据，无人机机载激光雷达应呈8字形在测区以既定路线飞行，当飞机进入稳定状态后在终端计算机辅助下开始测绘调控，开启激光数据采集、影像数据采集。得到矿山地质影像后，控制计算机设备并点击技术，召回无人机机载激光雷达，停止飞行，当无人机顺利返航后拷贝其中的影像数据、其他信息，存储于指定区域。由于无人机机载激光雷达在飞行期间获取了矿山现场的大量数据，为在后续的工作中合理应用这些数据，在获取数据后还需参考相应标准完成数据的分类，而分类后数据应存储于HCN中，由系统自动转换格式，并设置信息天线，生成标准的Renix30.25格式文件。当数据存储、格式转换等操作结束后，有关人员应利用TialExplorer7.0软件的图像处理功能自动分析和处理。该软件的功能多样，能处理各种来源、类型及格式的数据，如重叠信息、导航信息等，均可利用这一软件来处理，具体的处理过程中则需考虑实际需求，选择恰当的处理方式，从海量的矿山测绘数据中筛选得到更有价值的数据。3.3 测绘成图矿山测量中应用机载激光雷达测绘技术时，测绘成图为最终环节，具体的测绘过程中相关人员采集并处理了影像信息后，应利用Pre软件融合激光和POS数据，融合后参考标准结算流程，使数据呈现在特定坐标系下，生成矿山地质点云数据，再对照数据类型分类矿山地质点云数据集合，生成与矿山地质环境相符合的高层信息点、等高线。在上述过程中，处理过程相对复杂，包含电源数据集合与自动分类、专业人员进入现场展开外业调查、人工监测数据分类结果、由计算机编辑采样结果、生成矿山地表层矿山测绘点集合、构建数字化高程信息模型、生成点云分类结果。当得到点云数据分类结果后，有关人员需借助DEM模型初步建立模型，工作人员再根据矿山现场实际情况适当调整模型细节，通过手动分离方式处理模型中的问题，而模型中未分离的三角网信息采取地面矫正方式，直到所构建的全部三角网都能与测绘工作要求相一致。部分高程数据相对特殊，针对这类型数据，可由专门的矫正软件分离等高线，展开一定的调整，必要情况下最小化处理全部网格。4 结束语矿山测绘的难度系数较高，引入机载激光雷达测绘技术可提高测绘效率与水平。但由于每个矿山都有其特点，在具体的测绘工作中相关人员需优化机载激光雷达测绘路径，并合理调整相关参数，构建科学的测绘体系。参考文献1 沈华,施浩泽,徐巍,等.基于矿山地质测绘的无人机机载激光雷达技术应用J.世界有色金属,2022(22):37-39.2 祁宁,宋心怡,李孟.机载激光雷达技术在沉降监测中的应用J.陕西煤炭,2022,41(4):186-189,201.3 王晓星.机载激光雷达技术在矿山生态环境监测中的应用J.中国金属通报,2021(9):189-190.