蔣禮程

（廣州建通測繪地理信息技術股份有限公司，廣東 廣州 511300）

近些年來，在我國礦山工程的實際建設過程中，工程測繪是十分重要的一項內容，可以為礦山工程項目開展提供有力依據。然而，礦山往往位于山區，地質環境復雜，植被茂密，人煙罕至，施工的前期測繪難度較大。礦區開采過程中的，施工區陡坎深坑遍布，工程施工車輛穿梭，測繪同樣面臨測繪難度大、危險系數高的問題。因此，跟傳統測繪方式相比，無人機機載lidar技術很好的克服了這些問題，激光脈沖的多回波特性，可穿透植被到達被植被覆蓋的地表，獲取植被一下地形數據，經過激光點云的分類處理得到地面點數據生成高精度DEM數據，為礦區施工管理提供有力的數據支撐。與此同時，相比傳統測繪方式，機載激光lidar數據采集高效，測量點位更為密集，且精準。

1 激光雷達測繪技術概述

1.1 激光雷達測繪技術概念

對于激光雷達而言，其主要是光頻波段工作的雷達，可以通過光頻波段的電磁波，將探測信號向目標地點進行發射，并對比發射信號與接收到的同波信號，從而對目標的高度、距離以及方位等位置進行明確，掌握具體的運動狀態信息，以此來有效識別、探測以及跟蹤目標。激光雷達的組成部分具體包括激光發射機、激光接收機、信息處理系統、伺服控制系統以及操控顯示終端等[1]。

1.2 激光雷達測繪技術應用原理

和普通光波相比，激光要有著更好的方向性，其單色性也相對較強，具有良好的相干性程度，可以避免受到外界環境帶來的影響，而且太陽光線對其作用也相對較小，這些特性可以拓展激光的應用范圍。在礦山測繪工程中對激光測量進行應用，可以使距離測量的科學性以及準確性得到提高，并確保數據結果采集具有較高的可信度，而且還有著較強的抗干擾性能。在對激光雷達技術測量進行應用時，需要采用激光器向物體外表面發射激光，部分激光會發生反射，而激光雷達當中的接收器可以全部接受該部分回波，可以通過精密儀器準確測出接收時間長短，并對激光器在物體上的發射距離進行準確計算。通過將激光雷達測繪系統在工程測繪中進行應用，可以對激光器位置的坐標信息進行獲取，并通過GPS技術對各個激光點的大地坐標進行計算，使眾多的激光點能夠匯聚形成激光點云，對點云圖像加以構成。除此之外，激光雷達測繪系統可以對同一脈沖的多次反射進行記錄，在樹冠最頂部打上這些激光束，剩余激光束則會向下打在樹葉或者枝干上，部分甚至打在地面上，然后被返回，從而有一組多次返回和分層排列的坐標點產生。相關測繪人員可以在工程測繪中廣泛應用激光雷達測繪這一特點，例如可以分類處理和濾波處理這些獲得的信息，對地面高程進行獲取，對樹木和建筑物的高度信息進行準確獲取[2]。

圖1 點云分類后地面點模型

圖2 點云分類后剖面圖

2 激光雷達測繪技術在礦山工程測繪中的應用

針對數字礦山進行分析，其主要在礦山工程管理過程中應用數字化，可以合理開采和優化利用礦山資源，從而使礦山開采對環境造成的污染問題得到減少。結合當前情況進行分析，我國在資源開采過程中還存在相關問題，普遍存在過度開采以及浪費等現象，這也導致我國礦產資源出現嚴重短缺問題。為了使此現狀得到改善，使資源浪費和污染問題得到減少，需要有效創建數字礦山。為了能夠充分實現礦山工程的數字化管理，需要對激光雷達測繪技術進行有效應用。具體而言，通過對激光雷達測繪技術進行應用，可以準確測繪礦山地形地貌信息，對3D礦山模型加以構建，以此來為礦山規劃提供科學合理的技術保障。除此之外，通過對3D礦山模型進行應用，可以在礦山突發性事故出現時，快速找到爆發點，使寶貴時間得到節省。而且還可以采取有效措施，使相關事故損失得到減少，有效控制礦山事故風險[3]。

以某地花崗巖采石場項目為例，我們按季度為該礦場進行激光點云數據采集，經過相鄰兩期數據比對，從而有效掌握礦場采挖進度，避免過渡開采，違規開采等，為礦產數字化管理提供精準的數據依據。

項目實施過程我們首先在已有資料的基礎上對測區進行踏勘，踏勘已有控制點的可利用情況，并且進行參考面的布設和測量工作。根據測區地形地貌情況和項目要求設計航攝方案，使用無人機搭載機載LIDAR航攝儀進行航空攝影測量，獲取測區的影像數據和激光點云數據，通過內業處理軟件，對激光點云數據進行分類，基于分類點云數據及原始影像數據制作數字正射影像圖（DOM）、數字高程模型（DEM）。

2.1 數據采集

本次項目采用的飛行平臺為無人機激光雷達系統CW-30L為油動垂直起降固定翼無人機。CW-30L具備垂直起降，全自主起降、精準導航的功能，其最大載荷能力6kg，滿載滿油情況下，續航1小時，與此同時CW-30L的巡航飛行速度可達到100km/h，效率更高。

采用的設備為縱橫公司的CW-30L無人機搭載RIEGL VUX-1LR激光雷達系統，飛機為垂直起降固定翼無人機。慣導系統為諾瓦泰KVH1750光纖慣導，該慣導采樣頻率為200Hz；激光掃描儀的型號為RIEGL VUX-1LR，最大脈沖頻率為820kHz，掃描角度可自由調節，本次使用掃描角度為90°。

本次項目我們針對測區情況及技術要求，使用脈沖頻率為600KHz，飛行高度為200m,設計點密度為17點/m2。

2.2 激光點云分類

在數據獲取后，首先需要對點云數據進行預處理。點云數據預處理是由原始激光數據經過解算，對其平面和高程進行校正，得到精度符合要求的初步點云成果。主要包含POS數據處理、激光雷達數據預處理。

POS數據處理準備所需數據：基站數據(Base.txt)、移動站數據（GNSS.txt）、慣導數據（IMU.txt）、中繼站數據（CORS.dat）。

POS數據處理：在IE中新建工程，分別將已轉換后基站數據、移動站數據、慣導數據添加進工程，并填寫好基站坐標。使用TC緊耦合解算方式，設備數據文件里自帶慣導類型、設備桿臂值、旋轉角，可直接進行組合解算。

激光雷達數據預處理，通過JoLiDAR預處理軟件將獲取到的三維激光點云原始數據與經過后差分解算后的POS數據進行融合處理，將其處理成通用las格式的點云數據，同時在該軟件中可進行坐標轉換，可將輸出數據轉成所需的目標坐標系，以便進行后續的數據進一步處理和數據分析。

點云數據經過對平面和高程進行校正后，通過自動處理及人工交互處理方式進行精細分類，分別提取地面點和非地面點的步驟。具體如以下幾個步驟

（1）數據分塊

讀取不同航帶的機載激光雷達點云數據，按成圖比例尺等技術要求對點云數據進行分塊，一般可以按照矩形分塊，每一個分塊為一個數據處理單元。

（2）噪聲點濾除

噪聲點主要包括明顯低于地面的點（極低點）或點群、明顯高于地物的點（極高點）或點群，以及其他在一定空間范圍內分布異常的點或點群。

為減少噪聲點對后期數據處理的影響，應利用自動算法或人工編輯方法將噪聲點從點云中濾除。對于極低點或點群、極高點或點群，可在大范圍內進行集中濾除。對于其他分布異常的點或點群，在噪聲點濾除過程中應重點與植被點進行區分。

（3）航帶重疊區處理

為減少航帶重疊區冗余數據對后期數據處理的影響，參照航跡文件，宜濾除航帶重疊區的冗余數據。

（4）分類編輯

通過宏命令，結合地形地貌設置好合適的參數后，不斷地建立地表三角模型來分類地面點與非地面點。用已經選擇好的最低點作為初始地面點構建TIN模型。在這個初始地面模型中，大部分的點都是在地面以下的，只有其中相對較高的一些點可能能接觸到初始地面。然后通過不停地迭代加入新激光點來抬高擴建地面模型，不斷加入的新點使得模型逐漸趨近地表一些，最終得到一個近似地面模型，從而實現地面點與非地面點的分離。

（5）人工編輯檢查

人工編輯檢查是對宏命令運行后的地面點、非地面點進行檢查。分類宏的分類效果受地形的起伏、地形的復雜程度、植被的密疏情況、宏參數的設置等因素影響，造成某些區域的分類效果較差，對這些區域，需要重新設置宏參數過濾或者手工編輯，將分類錯誤的點歸入正確的層。經過編輯檢查后，才是分類后的成果分類點云。

2.3 數字正射影像 （DOM）制作

將原始航片通過外方位元素投影至分類點云制作的高精度DEM上進行逐個像元的微分糾正和投影差改正后，再進行勻色、鑲嵌編輯，即可形成數字正射影像圖。

（1）導出各像片的外方位元素

利用航攝數據預處理階段解算的航跡文件，導出各張像片的初始外方位元素X、Y、Z、Omega、Phi、Kappa。

（2）空中三角測量

本項目采用帶高精度慣導系統的航攝儀進行作業，可精準記錄各像片的外方位元素，可實現無像控參與下空中三角測量。將影像初始外方位元素導入專業空中三角測量軟件，空中三角測量計算結束后，利用平面精度驗證點檢核DOM成果，判斷其精度是否滿足要求。

（3）影像勻色

對影像進行色彩、曝光度和飽和度等的調整和勻色處理。勻色處理應縮小影像間的色調差異，使色調均勻、地物層次分明、避免較大反差，避免地物色彩失真。對影像模糊、拉花、錯位、扭曲、變形等問題及現象，查找原因并進行處理。

（4）鑲嵌

使用影像處理軟件對影像進行拼接，修改鑲嵌線。使鑲嵌線拼接線不通過建筑物、橋梁等。須在圖象重疊處仔細挑選，以使色調變化和看得見拼接線減到最少，鑲嵌線的編輯要注意細節。

編輯過程盡可能遵循如下原則：

鑲嵌線盡可能順著線狀地物走，鑲嵌線的兩側難免會有色差等情況，線狀地物便于后期影像處理軟件的處理。

為保證重要地物的完整性，盡可能繞開像高壓線塔、通信塔等重要地物。

鑲嵌線的選擇，需盡量繞過建筑和山地，保留更多地面信息。

為獲得較好的效果，鑲嵌線盡量走直線，或平滑的曲線，避免取小角度折線。

2.4 數字高程模型（DEM）制作

基于不規則三角網原理，利用前面點云分類后得到的地面點數據，將地面點通過不規則三角網或格網等構建DEM。主要步驟如下。

（1）數據預處理

將航線和點云數據導入TerraSolid軟件，裁剪航線，點云分塊。

圖3 前后兩期DEM對比

（2）地面模型關鍵點提取

利用精分類后的地面點來提取航帶間重疊的模型關鍵點，通過對關鍵點構建不規則三角網，并對其進行內插處理后，再實現格網對柵格數據的轉變，從而得到地面數字高程模型（DEM）。由于DEM是按照比例尺要求進行分幅的規格進行處理并生成的，因此必須對接邊的區域進行檢查必要時進行相應的編輯。將相鄰圖幅的DEM通過卷簾的方法檢查，檢查地面要素是否正確接邊，如圖幅間接邊精度不符合要求，應該檢查手工分類過程中是否存在點云分類錯誤的情況，并進行相應的修改。修改調整后再重新生成DEM并檢查接邊，以此反復調整，直到達到DEM接邊精度要求為止。

2.5 數據成果分析

本次項目實施過程中，我們在質量控制方面嚴格把控，實行各級責任制。

加強測繪產品的質量控制，實行二級檢查一級驗收制度。作業完成后，作業人員對完成的成果資料進行了嚴格的自檢和互檢，對出手的資料質量負責。根據作業組上交的成果成圖資料，項目部對成果進行過程檢查。對測量資料進行100%的室內檢查。

本項目完成過程檢查后，負責質量控制的成員對全部成果進行最終檢查。對所有相關成圖資料進行100%的內業審查,完成檢查后，對成果資料質量情況做最終評定。對不符合技術要求的測繪成果，各級質檢人員根據所存在的問題的性質和對質量影響的大小及時反饋并提出整改意見。

經過機載激光點云數據內業處理及層層質量檢查后的成果，結合兩期高精度DEM數據融合對比，得到精準的礦產開采量，疊加數字線劃圖得到地質圖成果。經過與測區測設的控制點進行比對，平面中誤差小于0.3m，高程中誤差小于0.1m。滿足項目精度要求。

圖4 地形地質圖

與此同時，成果數據與設計紅線疊加，并結合成果剖面數據進行數據分析，可以準確反應礦產開采情況，可根據剖面圖可直觀的掌握礦產開采情況以及判斷是否依照設計進行規范開采。本次項目結果顯示，礦產開挖依照設計進行開采，未發現超越設計紅線的情況。

圖5 剖面圖

同時對成果數據進行資源量分析，礦產資源量的估算及分布得到更為精準直觀的呈現，從而更為準確的掌握資源量分布情況。

圖6 資源量分布平面圖

3 結束語

綜上所述，通過將激光雷達測繪技術在礦山工程測繪中進行應用，一方面可以使測繪工作質量和效率得到提高，另一方面還可以彌補傳統測繪技術應用中的不足，促進我國工程測繪的快速發展。對此，在礦山工程測繪過程中，相關測繪人員需要對激光雷達測繪技術進行有效應用，明確該項技術的應用原理、分類，掌握關鍵技術，從而使測繪工作的精準度與效率得到提高，推動我國測繪行業的健康發展。