礦山地形測量中激光雷達測繪技術的精度研究

王子軍，張治拉

隨著礦山工程規模的不斷擴大，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，激光雷達測繪技術具有分辨率高、抗擾能力強的特點，將其應用在復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 激光雷達測繪技術的概述

1.1 技術分類

激光雷達測繪技術作為全新的遙感技術，是以衛星定位系統和慣性導航系統為核心，向被測目標發射信號，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碼圖像，形成的一種數碼測繪技術，以載體為區分點可將其分為地面三維激光雷達測繪技術和機載激光雷達測繪技術。

對于地面三維激光雷達測繪技術是以地面載體為支撐點，由激光掃描技術、GPS以及數碼照相技術所組成的工作系統，利用地面維度實現測繪工作。具體測繪時，主要利用地面安裝的三維激光掃描系統，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，與地形測量的依據進行對比、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，為保證采集數據的高效性，也可在移動設備上進行搭載，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用。相較于地面三維激光雷達測繪技術在系統與設備方面更完善，該系統主要包括GPS定位系統、現代數碼相機、慣性制導儀以及高精度的測量儀器，因設備方面的先進性，在進行測量時，可以達到動態測量和遠距離測量效果。具體測量時借助上述設備，將其進行集成，實現協同作業，利用掃描的方式可以改變激光束的發射方向，使其形成一個機載激光雷達測量系統，對礦山的地理信息數據進行采集、對數據進行預處理以及產品制作，保證數據采集的質量。

1.2 精度分析與測量原理

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

該技術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，出現反射的現象，當雷達接受到信息后會快速傳輸到雷達內部系統，根據光束的運行時間來對物體的距離進行計算，再將系統中所獲得的激光點進行重構，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的情況，回轉的光速頻率較高，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 工作內容

在礦山數字化開展過程中，激光雷達測繪技術的應用，通過建立三維數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，借助聲光介質，對聲光的疏密程度造成影響，如當衍射光角度或者頻率出現變化時，可以確定有衍射效應出現，超聲波出現變化，基于此形成的一種掃描系統。經過研究發現，當激光入射角和聲波面夾角達到一定值后，介質內的衍射光彼此之間會發生反應，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，當掃描到偏移出去的出射光時，光束會發生變化，在穿過晶體時，會產生相位差，光角度也會隨之發生改變，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，在轉動電機的作用下，使轉振鏡進行偏移，受鏡面反射的影響，激光出射角會發生改變，順著X軸轉動的振鏡會出現激光光束，并利用反射的原理將其投射到Y軸旋轉振鏡，以此形成一個二維掃描的效果，實現對物體的掃描，但該種掃描方式對靈活性要求較高，在應用的過程中要對掃描的頻率進行嚴格控制，并將結構冗余問題考慮到位。

2 激光雷達測繪技術的應用優勢

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，應用傳統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，還為生態環境帶來一定的影響，礦山數字化建設工作被更多人所重視，激光雷達測繪技術的應用，因其自身特性，在對目標進行測量工作時，使用的機械設備比較先進，所測量的結果誤差比較小，在對數據進行收集時，會反復進行推敲、處理，確保最后所采集的數據精準性，并且會形成相應的模型，可以有效彌補傳統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

激光雷達測量技術在應用的過程中，主要以電磁波信號的形式進行測繪，利用激光發射機將信號脈沖發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、內部結構以及形態質量等數據信息均可以通過反射信號呈現，涵蓋范圍較廣，可以將所有的測量要素融入其中。另外，激光雷達測繪技術在對數據處理后，利用數字化技術，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，為后續施工人員提供了重要的參考依據。

2.3 時效性強

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

圖2 激光雷達測繪技術應用圖示

3 礦山地形測量中激光雷達測繪技術精度分析

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

3.1 礦山地形數據獲取

礦山地形數據獲取工作是保證礦山測量精度的重要部分，對后續數據比較、分析具有參考作用，必須對其高度重視。其一，在對數據進行獲取時，要對礦山地形測量工作中激光雷達測繪技術的主要工作步驟進行了解，確保在后續工作中，可以嚴格按照工作流程進行操作。其二，因數據采集的目的是與后期的數據進行比較，以保證精度分析的準確性，所以在應用該技術前，要對礦山的實際情況進行了解，根據礦山的地形特征，來對激光雷達參數進行準確設置，例如，對激光點頻的參數進行設置，對無人機飛行速度以及掃描電機的相關參數進行調整，并將凈空高度以及橫縱向距等數據考慮到位，避免因外在因素的影響無法保證數據獲取的準確性，影響后續工作的質量。其三，在獲取采點地形數據時，通過利用激光雷達測繪技術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變為電脈沖，采用GPS裝置可以快速的對傳感器進行定位，在此基礎上，借助慣性測量單元中的測量裝置，對雷達中傳輸的實時姿態數據進行測量，可以準確的獲取到激光沖脈和地面接觸所產生的空間三維坐標，為后續的空間三維模型的生成提供依據。其四，對所獲取數據中無效的數據進行剔除，例如建筑物的數據、植被的數據，并采用分類技術對數據中的亂碼情況進行合理編排和處理，以確保所獲取數據的準確性、全面性。

3.2 礦山地形數據處理

礦山地形數據分析結果的精度與其有著直接影響的是礦山地形數據處理的結果，因礦山地形較為復雜，在應用激光雷達測繪技術時，所采集的數據較多，為保證數據的精度，對其進行處理時，要嚴格按照處理流程進行操作，最大化的保證數據的處理質量，提高數據的處理效率。首先，在對激光雷達測繪技術進行處理時，一般采用TerraScan技術，該技術的應用具有顯著的優勢，當傳感器中所反射回的信息在沒有信號的區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，工作人員會在第一時間內對其進行處理，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，所掃描的內容過于繁瑣，測量的內容較為復雜，導致在掃描的過程中經常存在重復掃描的情況，對于重復掃描的區域每次掃描的數據都會存在著不同，這時需要工作人員對存在差異的數據進行分析、整理，并對重疊區域的激光數據進行分類，做好拼接工作，以此保證所有掃描平面的數據都在正常范圍內，使重疊區域和非重疊區域的數據真正做到無縫對接。最后，對其它的數據進行濾波處理，在濾波處理后，對存在模糊或者地形顯現不明顯的數據進行清除，確保所遺留下的數據都精準、可靠，以此不僅可以縮小數據文件，提高其便捷性，還最大化的保證了數據的精準度，為后續數據精度分析提供保障。

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，主要是將已經處理完畢的數據進行繪制，結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，對于模型網絡間距要嚴格控制，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據為精度對比依據，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，對處理后的數據進行分類，為提高工作效率，可以采用云技術方式進行處理，通過對礦山地面中各個點的坐標數據進行提取，根據所提取數據的結果，結合實際情況，將其按照等比例的方式生成數據表面模型（如圖3）。其二，對于所生成模型中的關鍵點，要按照掃描出的數據，將具體信息標記數據模型中，并結合實際情況，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據點作為檢查點，將檢查與礦山地形中所測的數據進行對比，可以及時發現各點位之間的誤差，并以此為依據，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在礦山地形測量中應用的實效性進行證明，所選取的實驗方法是將傳統測量方法與激光雷達測繪技術方法進行比較，選擇同一個礦區，所使用的掃描系統均為OptechALTN激光雷達掃描系統，現將飛行速度控制在45km/h，激光點頻控制在96kHz，凈空高度設置在900m，掃描電機參數為500rpm，對于橫向點距和縱向點距分別控制在1.3m、1.4m，在保證各項參數指標一致的情況下開始實驗。

4.2 實驗結果分析

在本次實驗中設置檢查點共計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，激光雷達測繪技術的應用可以有效提高測量效率，應被廣泛應用。

5 結論

總而言之，將激光雷達測繪技術應用在礦山測量工程中，順應工程的發展需求，不僅可以保證數據收集的準確性，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警，保證工作人員的安全，必須對其深入探索，不斷總結經驗，確保每位工作人員均可以熟練的掌握該項技術，發揮其最大的應用價值。