矿山工程测量中无人机机载激光雷达的应用效果分析

冀晓彤

（甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730020）

近几年来，随着我国测量技术的发展，矿山工程勘测的数量也在逐年增加。通信、计算机技术的优化和完善，提升了勘测结构的完整度和严谨性，促使矿山工程勘测取得较好成果。但是目前阶段，由于开采次数增加，部分施工团队存在不规范的操作行为，导致矿山自然灾害频发。面对当前的发展现状，在测量之前需要对矿山工程进行有效勘探，确保工程实施的稳定[1]。现如今，无人机广泛应用在社会各个领域，并且取得了较好的成果，随着技术的精进，无人机的自动化巡检手段以及机载能力也得到了极大地提升，通过装载不同型号的机器，完成相应的工作任务[2]。矿山的地质测量可以应用无人机机载雷达，将没有角度关联限制的激光雷达与无人机结合，通过绘制三维地图的方式对地形路线作出记录反馈，从而进一步完成巡检目标任务。但是，随着激光雷达功能性能的增加，给无人机的运行造成了一定的压力，所以在实际应用过程中，出现了较多的问题和缺陷，影响矿山工程勘测的结果[3]。因此，通过多角度、多层级的设计，对矿山工程测量中无人机机载激光雷达的应用效果进行分析，调整传统的应用模式，减少干扰性数据，确保运行方向和轨迹的正确性，提升测量精度值，同时可以更加快速地获取矿山具体位置，以此提升无人机机载雷达对矿山探测的效率和质量。

1 矿山工程测量中无人机机载激光雷达的应用效果分析

1.1 确定区域波形初始特征参数

为了进一步明确激光雷达对矿区不同岩性图像特征的分析，在矿区的基坑内部设立相应的探测点，并将勘测位置选择在矿区基坑内部钻孔口处，在一定程度上可以减少外部因素对无人机勘测的影响，同时也能减少对雷达勘查结果的影响。选择150Mhz的路面耦合天线进行信号测量，将无人机的介质参数设定为15.34～20.35之间。依据勘测范围，建立6个对应测量点，并且每一个测点之间的距离保持在8m，测深为55m。无人机的测量模式更改为步进式连续探测，当无人机机载激光雷达获取到相应的勘测数据后，由最后一个勘测点进行处理。处理探测点的初始数据，计算测量目标体的综合系数，具体如公式1所示：

式中：H表示测量目标体综合系数，s表示探测的实际范围，f表示可变目标。通过计算，可以得出实际的测量目标体综合系数。根据数值结果明确相应的目标体，并且利用雷达获取矿区的区域特征波形，在此基础上计算初始特征参数，如公式2所示：

式中：L表示初始特征参数，θ表示滤波长度，s表示覆盖总距离，通过以上计算，最终可以得出实际的初始特征参数，完成指标参数的确定。

1.2 耦合网度控制

确定矿区区域波形初始特征参数后，对耦合网度进行控制。当无人机飞行至矿区工程上方时，天线会向其发动区域波形，雷达在接收波形之后，会置换为耦合指令，传输至无人机控制平台。所以，需要对置换比例进行计算，如公式3所示：

式中：J表示置换比例，a表示传输距离，g表示允许出现的误差距离，h表示符合覆盖范围。通过计算，可以得出实际的置换比例，依据比例将波形转换为对应的耦合指令，添加至无人机控制系统中，关联无人机应用节点，形成与勘测范围一致的耦合网度。依据实际的勘测情况，计算此时应调控的耦合网度，如公式4所示：

式中：K表示实际调控的耦合网度，V表示控制程度，E表示雷达勘测纵轴距离。通过以上计算，可以得出无人机实际调控的耦合网度，根据数值结果对应耦合网度进行控制。

1.3 有限单元法实现矿山工程测量

完成耦合网度控制后，利用有限单元法实现无人机机载激光雷达对矿山工程的测量。当雷达获取到相关探测数据后，更改运行程序，具体如图1所示：

图1 雷达运行程序结构图

根据图1可知雷达程序的相应结构。在此基础上，将宽频带和短脉冲以纵向的形式发射高频电磁波，以冗余电波作为介质，形成反射勘探。反射信号经由信道传输至控制平台，利用有限单元法计算出对应的单元强度，如公式5所示：

式中：N表示单元强度，C表示勘测总距离，ω表示变化系数，R表示介电质数。通过计算，可以得出实际的单元强度。以强度结果作为标准，在数值可控范围内分析数据信息完成最终测量，并对测量结果作出结论。

2 实例分析

2.1 无人机机载激光雷达在矿山测量中的应用现状简述

现如今，无人机的应用领域越来越广泛，更是逐渐成为矿山测量的主要勘测工具。矿山勘测是对矿山的地貌依据地势地形进行记录勘查，同时对部分开阔区域进行数据粗略测量，虽然可以达到预期的目标，但是在实际应用过程中，还会存在一些问题和缺陷。例如，勘测效果图不清晰不能有效识别地貌与地形，数据测量结果不准确导致最终应用出现误差等。小型矿山开采工程应用效果相对较好，但是面对大型工程会存在一些变化，在这样的发展现状下，需要重新对无人机勘测技术进行创新调整。

2.2 分析过程以及结果

了解上述应用现状后，依据实际情况进行具体分析。选取Q矿区作为分析对象，矿区的侧方与迅达大道交叉，并且安装多个内径为1.5m～2.5m，顶管壁厚为0.3m的水管道，部分矿洞的高度为67.01m～82.94m。依据标准，将无人机调整至最佳状态，并且设置激光雷达，具体设置为：雷达的检测范围在50.69m～120.37m之间，冗余长度为20.35m，数据保存时间为1周，雷达的实际覆盖面积为300.65m2。测试时将雷达放置在无人机的机座中，关联无人机操控系统，结合无人机和雷达的操控系统。开始勘查，使无人机在矿山的标定位置上空飞行3圈，每一圈的长度不同，获取数据信息后，对矿山工程的相关指标进行航测，并分析测量结果，最终得出相对应的数据，具体分析结果如表1所示：

根据表1中的数据信息得出实际结论：在不同的航测距离下，无人机机载雷达对矿山工程各项指标系数测量总误差均在0.2以下，表明其应用效果较好，具有一定的实际应用价值。

考虑到矿山待测量区域地形复杂，遮挡物较多，采用传统的测量方式会出现顶面数据缺失的情况。矿山测量中采用无人机机载激光雷达，无需布置飞行航线，低空飞行时可捕捉到被遮挡部分的相关数据信息。激光雷达探测覆盖范围面积更大，测量数据采集的整体性要优于其他设备，在高空状态下无人机搭载雷达收集数据的精准度较高。从表1可以看出，三组航测数据误差控制在0.03～0.05范围内，说明残差值控制良好，可以满足矿山大比例尺测量精度的要求。

3 结语

综上所述，通过分析矿山工程测量中无人机机载激光雷达的应用效果，提高其应用价值。近几年来，无人机被应用在社会各个领域中且均取得了较好的应用效果，在矿山工程测量中，利用无人机机载激光雷达进行位置确定以及地形测量，在工程实施的前期，扫清相关障碍，根据雷达刻画记录对应的地势特征、地貌情况，部分开阔区域还可以利用测量设备作出粗略计量，以此减少工程测量的工作量，确保工程的顺利实施。