无人机机载激光雷达在矿山地质测绘中的应用研究

李婷婷，方 超

（黑龙江省第七地质勘查院，黑龙江 绥化 152000）

机载激光雷达通常使用无人机设备完成作业，当其在高空飞行达到指定高度时，通过发射激光光束，探测终端目标物体的空间位置与外形特征，以此实现矿山地质的测绘[1]。在此过程中，电脉冲通过激光设备对光束进行转化，实现激光光束转变成直接光束，并利用终端接收装置还原处理返回的目标光束，成为电脉冲，此时，将接收装置与计算机显示端进行对接，实现反馈的信息在显示屏幕上的呈现。目前，我国对激光雷达的研究已取得十分显著的成绩，并尝试其与无人机的结合，以此提高激光雷达的探测范围。同时，在操控无人机过程中，随时调整光束的照射方向，确保获取的信息满足实际工作的需求。

1 无人机机载激光雷达在矿山地质测绘中的应用

1.1 架设矿山地质测绘GNSS基站

为了确保矿山地质测绘工作的有序实施，架设GNSS基站，并根据矿山工程的实际测绘需求，在矿区内布设控制点。同时，对接i80接收设备与基站，使两者保持一种实时通信的状态。在此过程中，架设的GNSS基站需要满足下述要求：在架设基站前，提前定位控制点坐标，并在此基础上，对基站进行整平处理，确保测绘点与控制点处于对中状态；在进行基站天线高度测量时，采用斜测的方式，从脚手架的三个空档区域进行测量工作，并调整每个空挡区域之间的夹角成120.0°，并且在测量过程中，控制天线的高度与测板的测量结果精度在1.0mm范围之内，其误差小于4.0mm，并取多次测量结果的平均值作为最终结果。在上述提出的过程中，基站天线高度标准化测量方式如下图1所示。

按照上述图1中提出的方式，在完成对基站天线高度标准化测量后，调整基站的采样频率在3.0Hz～6.0Hz范围内。基站中所有的观测数据要有GPS定位点与BDS作为支撑，并且两者卫星数总和应大于或等于16.0个，并且在保存数据的时候，HCN格式与Renix30.25格式的文件各一份。

图1 基站天线高度标准化测量方法

在架设矿山地质测绘GNSS基站的同时，无人机调试技术人员应对基站现场环境进行勘察，并结合区域地质实际情况，使用Pro地面站仪器，对无人机机载激光雷达的巡航路径进行初步规划[2]。完成规划巡航路线后，使用3台无人机设备，探测预先设定的巡航路线，在所有的无人机设备均安全返回后，认为此时预设的航线符合无人机机载激光雷达测绘标准。综合上述分析，完成矿山地质测绘GNSS基站的架设与巡检路线的设定。

1.2 基于无人机机载激光雷达的数据采集与处理

在完成上述相关工作后，对无人机机载激光雷达的可持续续航与飞行状态进行检测，当多项指标均满足测绘条件时，进行无人机机载的标准化安装，从而通过此种设备进行矿山地质数据的采集。在采集数据过程中，需要多台手持控制设备对无人机的飞行方向进行控制与调整，并对接终端接收装置与无线通信装置，确保获取的信息可以有效传输到终端。无人机在高空飞行过程中，其飞行过程偏离预设轨道或超过8.0km后，终端发出预警。综合上述分析，规范化设计矿山地质数据的采集过程，具体内容如下。

设定无人机机载激光雷达的参数，包括激光扫描仪器的参数与拍摄录像设备的参数等。在测绘工作实施时，启用POS进行数据采集处理，待工程开始执行后，保持无人机机载激光雷达处于静止状态2.0min～3.0min，此过程的目的是获取更多的矿区静态信息，为后期的平差处理测绘数据做准备。在此基础上，控制无人机机载激光雷达按照“8”字形进行高空飞行，当设备处于一种稳定运行状态后，在终端计算机设备上进行测绘调控，同步开启激光数据采集工作与影像数据采集工作。在完成对矿山地质影像的获取后，控制计算机设备，点击“结束采集”功能按键，召回无人机机载激光雷达。当无人机机载设备平稳返回后，拷贝在此过程中的影像数据与相关信息，将数据存储在终端某指定硬盘内。在完成对矿山地质数据的测绘后，整理影像文件，归类数据信息，并且划分为四类，如下表1所示。

表1 无人机机载激光雷达获取信息分类

在完成分类处理获取的信息后，将存储在HCN内的原始信息进行格式转换操作，并设置信息的天线，使其生成标准的Renix30.25格式文件，此过程使用Data软件操作。

在完成上述处理工作后，使用Tial Explorer7.0软件工具，对图像进行处理，此软件适用于多种格式的文件信息处理，包括导航信息、重叠信息、误差信息等。处理过程为：新建矿山地质工程文件夹→转换原始数据格式→从终端添加基准站信息与移动信息→GNSS数据解算处理→Combine→图像平滑处理→导出图像处理结果。以此种方式，实现基于无人机机载激光雷达的数据采集与处理。

1.3 基于矿山地质点云数据的测绘成图过程

在完成获取影像信息的处理后，通过Pre软件将激光数据与POS数据进行深度融合，融合后按照标准的解算流程，将信息呈现在GCGS1000坐标轴下，生成一个支持las格式的矿山地质点云数据集合[3]。并按照对应的数据类型，分类矿山地质点云数据集合，最终生成一个符合矿山地质环境的等高线、高程信息点。处理过程为：矿山地质点云数据集合自动归类→结合工作人员实测点信息，对归类结果进行人工检测→使用计算机设备人工编辑采样结果→生成矿山地表层测绘点集合→构建数字化高程信息模型→生成点云分类结果。

在完成对点云数据的分类处理后，参照DEM模型对图像信息进行初步建模，并通过工作人员辅助操作的方式校正模型。手动分离处理生成模型中的不符合测绘工程的三角网，并将模型中未实现分离的三角网信息进行地面校正，直到构建的所有三角网均符合矿山地质工程测绘标准。针对其中突出的高程数据，采用校正软件分类等高线的方式，对其参数进行调整，并实现对所有网格的最小化处理，确保测绘结果的高精度。

在完成对测绘的点云数据进行高精度划分后，分离测绘数据集合中的等高线，定位线中关键点，使用CAD软件对测绘图像进行自动生成。生成过程中，可设置一个最小面积、等比例尺度与光滑强度等参数，生成图像过程中，所有的等高线均需要按照等高程比例尺进行缩放。按照不同点间隔，生成点云坐标，将所有坐标文件导入Cass软件进行编辑操作，以此实现测绘结果的成图。

2 实例应用分析

选择某矿区作为此次实例应用的场所，在实验过程，为了满足矿山工程实际需求，在开展相关研究工作前，由技术单位按照工作规定，向地方政府及有关部门进行空域飞行权限的申请，在取得工作申请后，将《GPS/IMU航空辅助摄像标准》文件作为此次工作实施的参照标准（文件要求测绘点误差在±1.0mm范围内，精度在1.0mm范围内）。

完成准备工作后，布设测绘点，此次实验共选择6.0个测绘点，如下表2所示。

表2 矿山地质测绘点

在完成对测绘点的布设后，使用高程比例尺对矿区地质图像进行缩放，并且通过无人机机载激光雷达按照文章中提出的方式，进行多点的影像采集，采集图像后，处理图像，并生成测绘点云图。在此基础上，整理测量的测绘数据，统计为表格，对照每个测绘点的高程数据精度与误差是否符合真实测量标准。如下表3所示。

表3 实验结果

结合上述表3中的数据可知，测绘结果的精度均在1.0mm范围之内，测绘点的误差均在±1.0mm范围之内，两者均满足《GPS/IMU航空辅助摄像标准》文件的要求，因此，本文方法具有实际的应用价值。

3 结语

截至当下，已有较多的理论研究表明，将无人机机载激光雷达应用到矿山地质测绘工作中，但是多数研究成果现今仍处于理论研究阶段，并未在实际中得到证实，并且，对于矿山工程而言，开展地质的测绘工作，获取矿区内的地势、环境、地层变化趋势等信息，是保证工作顺利实施的必要条件，但是由于矿山地质结构较为复杂，相关的测绘工作难度较大。因此，本文在早期研究成果的基础上，设计一种针对矿山地质的测绘方法，结合无人机机载激光雷达，实现矿山工程的质量与工作效率的同步提升。