礦山工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用效果分析

冀曉彤

（甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊(duì)，甘肅 蘭州 730020）

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，礦山工程勘測(cè)的數(shù)量也在逐年增加。通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化和完善，提升了勘測(cè)結(jié)構(gòu)的完整度和嚴(yán)謹(jǐn)性，促使礦山工程勘測(cè)取得較好成果。但是目前階段，由于開(kāi)采次數(shù)增加，部分施工團(tuán)隊(duì)存在不規(guī)范的操作行為，導(dǎo)致礦山自然災(zāi)害頻發(fā)。面對(duì)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，在測(cè)量之前需要對(duì)礦山工程進(jìn)行有效勘探，確保工程實(shí)施的穩(wěn)定[1]。現(xiàn)如今，無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，并且取得了較好的成果，隨著技術(shù)的精進(jìn)，無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化巡檢手段以及機(jī)載能力也得到了極大地提升，通過(guò)裝載不同型號(hào)的機(jī)器，完成相應(yīng)的工作任務(wù)[2]。礦山的地質(zhì)測(cè)量可以應(yīng)用無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)，將沒(méi)有角度關(guān)聯(lián)限制的激光雷達(dá)與無(wú)人機(jī)結(jié)合，通過(guò)繪制三維地圖的方式對(duì)地形路線作出記錄反饋，從而進(jìn)一步完成巡檢目標(biāo)任務(wù)。但是，隨著激光雷達(dá)功能性能的增加，給無(wú)人機(jī)的運(yùn)行造成了一定的壓力，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)了較多的問(wèn)題和缺陷，影響礦山工程勘測(cè)的結(jié)果[3]。因此，通過(guò)多角度、多層級(jí)的設(shè)計(jì)，對(duì)礦山工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，調(diào)整傳統(tǒng)的應(yīng)用模式，減少干擾性數(shù)據(jù)，確保運(yùn)行方向和軌跡的正確性，提升測(cè)量精度值，同時(shí)可以更加快速地獲取礦山具體位置，以此提升無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)對(duì)礦山探測(cè)的效率和質(zhì)量。

1 礦山工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用效果分析

1.1 確定區(qū)域波形初始特征參數(shù)

為了進(jìn)一步明確激光雷達(dá)對(duì)礦區(qū)不同巖性圖像特征的分析，在礦區(qū)的基坑內(nèi)部設(shè)立相應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)，并將勘測(cè)位置選擇在礦區(qū)基坑內(nèi)部鉆孔口處，在一定程度上可以減少外部因素對(duì)無(wú)人機(jī)勘測(cè)的影響，同時(shí)也能減少對(duì)雷達(dá)勘查結(jié)果的影響。選擇150Mhz的路面耦合天線進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，將無(wú)人機(jī)的介質(zhì)參數(shù)設(shè)定為15.34～20.35之間。依據(jù)勘測(cè)范圍，建立6個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，并且每一個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離保持在8m，測(cè)深為55m。無(wú)人機(jī)的測(cè)量模式更改為步進(jìn)式連續(xù)探測(cè)，當(dāng)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)獲取到相應(yīng)的勘測(cè)數(shù)據(jù)后，由最后一個(gè)勘測(cè)點(diǎn)進(jìn)行處理。處理探測(cè)點(diǎn)的初始數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)量目標(biāo)體的綜合系數(shù)，具體如公式1所示：

式中：H表示測(cè)量目標(biāo)體綜合系數(shù)，s表示探測(cè)的實(shí)際范圍，f表示可變目標(biāo)。通過(guò)計(jì)算，可以得出實(shí)際的測(cè)量目標(biāo)體綜合系數(shù)。根據(jù)數(shù)值結(jié)果明確相應(yīng)的目標(biāo)體，并且利用雷達(dá)獲取礦區(qū)的區(qū)域特征波形，在此基礎(chǔ)上計(jì)算初始特征參數(shù)，如公式2所示：

式中：L表示初始特征參數(shù)，θ表示濾波長(zhǎng)度，s表示覆蓋總距離，通過(guò)以上計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的初始特征參數(shù)，完成指標(biāo)參數(shù)的確定。

1.2 耦合網(wǎng)度控制

確定礦區(qū)區(qū)域波形初始特征參數(shù)后，對(duì)耦合網(wǎng)度進(jìn)行控制。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行至礦區(qū)工程上方時(shí)，天線會(huì)向其發(fā)動(dòng)區(qū)域波形，雷達(dá)在接收波形之后，會(huì)置換為耦合指令，傳輸至無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)。所以，需要對(duì)置換比例進(jìn)行計(jì)算，如公式3所示：

式中：J表示置換比例，a表示傳輸距離，g表示允許出現(xiàn)的誤差距離，h表示符合覆蓋范圍。通過(guò)計(jì)算，可以得出實(shí)際的置換比例，依據(jù)比例將波形轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的耦合指令，添加至無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中，關(guān)聯(lián)無(wú)人機(jī)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，形成與勘測(cè)范圍一致的耦合網(wǎng)度。依據(jù)實(shí)際的勘測(cè)情況，計(jì)算此時(shí)應(yīng)調(diào)控的耦合網(wǎng)度，如公式4所示：

式中：K表示實(shí)際調(diào)控的耦合網(wǎng)度，V表示控制程度，E表示雷達(dá)勘測(cè)縱軸距離。通過(guò)以上計(jì)算，可以得出無(wú)人機(jī)實(shí)際調(diào)控的耦合網(wǎng)度，根據(jù)數(shù)值結(jié)果對(duì)應(yīng)耦合網(wǎng)度進(jìn)行控制。

1.3 有限單元法實(shí)現(xiàn)礦山工程測(cè)量

完成耦合網(wǎng)度控制后，利用有限單元法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)礦山工程的測(cè)量。當(dāng)雷達(dá)獲取到相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)后，更改運(yùn)行程序，具體如圖1所示：

圖1 雷達(dá)運(yùn)行程序結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1可知雷達(dá)程序的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，將寬頻帶和短脈沖以縱向的形式發(fā)射高頻電磁波，以冗余電波作為介質(zhì)，形成反射勘探。反射信號(hào)經(jīng)由信道傳輸至控制平臺(tái)，利用有限單元法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的單元強(qiáng)度，如公式5所示：

式中：N表示單元強(qiáng)度，C表示勘測(cè)總距離，ω表示變化系數(shù)，R表示介電質(zhì)數(shù)。通過(guò)計(jì)算，可以得出實(shí)際的單元強(qiáng)度。以強(qiáng)度結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)值可控范圍內(nèi)分析數(shù)據(jù)信息完成最終測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果作出結(jié)論。

2 實(shí)例分析

2.1 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

現(xiàn)如今，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，更是逐漸成為礦山測(cè)量的主要勘測(cè)工具。礦山勘測(cè)是對(duì)礦山的地貌依據(jù)地勢(shì)地形進(jìn)行記錄勘查，同時(shí)對(duì)部分開(kāi)闊區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)粗略測(cè)量，雖然可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還會(huì)存在一些問(wèn)題和缺陷。例如，勘測(cè)效果圖不清晰不能有效識(shí)別地貌與地形，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確導(dǎo)致最終應(yīng)用出現(xiàn)誤差等。小型礦山開(kāi)采工程應(yīng)用效果相對(duì)較好，但是面對(duì)大型工程會(huì)存在一些變化，在這樣的發(fā)展現(xiàn)狀下，需要重新對(duì)無(wú)人機(jī)勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新調(diào)整。

2.2 分析過(guò)程以及結(jié)果

了解上述應(yīng)用現(xiàn)狀后，依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。選取Q礦區(qū)作為分析對(duì)象，礦區(qū)的側(cè)方與迅達(dá)大道交叉，并且安裝多個(gè)內(nèi)徑為1.5m～2.5m，頂管壁厚為0.3m的水管道，部分礦洞的高度為67.01m～82.94m。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將無(wú)人機(jī)調(diào)整至最佳狀態(tài)，并且設(shè)置激光雷達(dá)，具體設(shè)置為：雷達(dá)的檢測(cè)范圍在50.69m～120.37m之間，冗余長(zhǎng)度為20.35m，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為1周，雷達(dá)的實(shí)際覆蓋面積為300.65m2。測(cè)試時(shí)將雷達(dá)放置在無(wú)人機(jī)的機(jī)座中，關(guān)聯(lián)無(wú)人機(jī)操控系統(tǒng)，結(jié)合無(wú)人機(jī)和雷達(dá)的操控系統(tǒng)。開(kāi)始勘查，使無(wú)人機(jī)在礦山的標(biāo)定位置上空飛行3圈，每一圈的長(zhǎng)度不同，獲取數(shù)據(jù)信息后，對(duì)礦山工程的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行航測(cè)，并分析測(cè)量結(jié)果，最終得出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，具體分析結(jié)果如表1所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息得出實(shí)際結(jié)論：在不同的航測(cè)距離下，無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)對(duì)礦山工程各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)測(cè)量總誤差均在0.2以下，表明其應(yīng)用效果較好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

考慮到礦山待測(cè)量區(qū)域地形復(fù)雜，遮擋物較多，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式會(huì)出現(xiàn)頂面數(shù)據(jù)缺失的情況。礦山測(cè)量中采用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)，無(wú)需布置飛行航線，低空飛行時(shí)可捕捉到被遮擋部分的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。激光雷達(dá)探測(cè)覆蓋范圍面積更大，測(cè)量數(shù)據(jù)采集的整體性要優(yōu)于其他設(shè)備，在高空狀態(tài)下無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)收集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度較高。從表1可以看出，三組航測(cè)數(shù)據(jù)誤差控制在0.03～0.05范圍內(nèi)，說(shuō)明殘差值控制良好，可以滿足礦山大比例尺測(cè)量精度的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析礦山工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用效果，提高其應(yīng)用價(jià)值。近幾年來(lái)，無(wú)人機(jī)被應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中且均取得了較好的應(yīng)用效果，在礦山工程測(cè)量中，利用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行位置確定以及地形測(cè)量，在工程實(shí)施的前期，掃清相關(guān)障礙，根據(jù)雷達(dá)刻畫(huà)記錄對(duì)應(yīng)的地勢(shì)特征、地貌情況，部分開(kāi)闊區(qū)域還可以利用測(cè)量設(shè)備作出粗略計(jì)量，以此減少工程測(cè)量的工作量，確保工程的順利實(shí)施。