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        無人機機載激光雷達(dá)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

        2021-03-09 05:52:22李婷婷
        中國金屬通報 2021年22期
        關(guān)鍵詞:測繪礦山信息

        李婷婷,方 超

        (黑龍江省第七地質(zhì)勘查院,黑龍江 綏化 152000)

        機載激光雷達(dá)通常使用無人機設(shè)備完成作業(yè),當(dāng)其在高空飛行達(dá)到指定高度時,通過發(fā)射激光光束,探測終端目標(biāo)物體的空間位置與外形特征,以此實現(xiàn)礦山地質(zhì)的測繪[1]。在此過程中,電脈沖通過激光設(shè)備對光束進行轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)激光光束轉(zhuǎn)變成直接光束,并利用終端接收裝置還原處理返回的目標(biāo)光束,成為電脈沖,此時,將接收裝置與計算機顯示端進行對接,實現(xiàn)反饋的信息在顯示屏幕上的呈現(xiàn)。目前,我國對激光雷達(dá)的研究已取得十分顯著的成績,并嘗試其與無人機的結(jié)合,以此提高激光雷達(dá)的探測范圍。同時,在操控?zé)o人機過程中,隨時調(diào)整光束的照射方向,確保獲取的信息滿足實際工作的需求。

        1 無人機機載激光雷達(dá)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用

        1.1 架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站

        為了確保礦山地質(zhì)測繪工作的有序?qū)嵤?,架設(shè)GNSS基站,并根據(jù)礦山工程的實際測繪需求,在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點。同時,對接i80接收設(shè)備與基站,使兩者保持一種實時通信的狀態(tài)。在此過程中,架設(shè)的GNSS基站需要滿足下述要求:在架設(shè)基站前,提前定位控制點坐標(biāo),并在此基礎(chǔ)上,對基站進行整平處理,確保測繪點與控制點處于對中狀態(tài);在進行基站天線高度測量時,采用斜測的方式,從腳手架的三個空檔區(qū)域進行測量工作,并調(diào)整每個空擋區(qū)域之間的夾角成120.0°,并且在測量過程中,控制天線的高度與測板的測量結(jié)果精度在1.0mm范圍之內(nèi),其誤差小于4.0mm,并取多次測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。在上述提出的過程中,基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方式如下圖1所示。

        按照上述圖1中提出的方式,在完成對基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量后,調(diào)整基站的采樣頻率在3.0Hz~6.0Hz范圍內(nèi)。基站中所有的觀測數(shù)據(jù)要有GPS定位點與BDS作為支撐,并且兩者衛(wèi)星數(shù)總和應(yīng)大于或等于16.0個,并且在保存數(shù)據(jù)的時候,HCN格式與Renix30.25格式的文件各一份。

        圖1 基站天線高度標(biāo)準(zhǔn)化測量方法

        在架設(shè)礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的同時,無人機調(diào)試技術(shù)人員應(yīng)對基站現(xiàn)場環(huán)境進行勘察,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)實際情況,使用Pro地面站儀器,對無人機機載激光雷達(dá)的巡航路徑進行初步規(guī)劃[2]。完成規(guī)劃巡航路線后,使用3臺無人機設(shè)備,探測預(yù)先設(shè)定的巡航路線,在所有的無人機設(shè)備均安全返回后,認(rèn)為此時預(yù)設(shè)的航線符合無人機機載激光雷達(dá)測繪標(biāo)準(zhǔn)。綜合上述分析,完成礦山地質(zhì)測繪GNSS基站的架設(shè)與巡檢路線的設(shè)定。

        1.2 基于無人機機載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集與處理

        在完成上述相關(guān)工作后,對無人機機載激光雷達(dá)的可持續(xù)續(xù)航與飛行狀態(tài)進行檢測,當(dāng)多項指標(biāo)均滿足測繪條件時,進行無人機機載的標(biāo)準(zhǔn)化安裝,從而通過此種設(shè)備進行礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。在采集數(shù)據(jù)過程中,需要多臺手持控制設(shè)備對無人機的飛行方向進行控制與調(diào)整,并對接終端接收裝置與無線通信裝置,確保獲取的信息可以有效傳輸?shù)浇K端。無人機在高空飛行過程中,其飛行過程偏離預(yù)設(shè)軌道或超過8.0km后,終端發(fā)出預(yù)警。綜合上述分析,規(guī)范化設(shè)計礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集過程,具體內(nèi)容如下。

        設(shè)定無人機機載激光雷達(dá)的參數(shù),包括激光掃描儀器的參數(shù)與拍攝錄像設(shè)備的參數(shù)等。在測繪工作實施時,啟用POS進行數(shù)據(jù)采集處理,待工程開始執(zhí)行后,保持無人機機載激光雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)2.0min~3.0min,此過程的目的是獲取更多的礦區(qū)靜態(tài)信息,為后期的平差處理測繪數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上,控制無人機機載激光雷達(dá)按照“8”字形進行高空飛行,當(dāng)設(shè)備處于一種穩(wěn)定運行狀態(tài)后,在終端計算機設(shè)備上進行測繪調(diào)控,同步開啟激光數(shù)據(jù)采集工作與影像數(shù)據(jù)采集工作。在完成對礦山地質(zhì)影像的獲取后,控制計算機設(shè)備,點擊“結(jié)束采集”功能按鍵,召回?zé)o人機機載激光雷達(dá)。當(dāng)無人機機載設(shè)備平穩(wěn)返回后,拷貝在此過程中的影像數(shù)據(jù)與相關(guān)信息,將數(shù)據(jù)存儲在終端某指定硬盤內(nèi)。在完成對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的測繪后,整理影像文件,歸類數(shù)據(jù)信息,并且劃分為四類,如下表1所示。

        表1 無人機機載激光雷達(dá)獲取信息分類

        在完成分類處理獲取的信息后,將存儲在HCN內(nèi)的原始信息進行格式轉(zhuǎn)換操作,并設(shè)置信息的天線,使其生成標(biāo)準(zhǔn)的Renix30.25格式文件,此過程使用Data軟件操作。

        在完成上述處理工作后,使用Tial Explorer7.0軟件工具,對圖像進行處理,此軟件適用于多種格式的文件信息處理,包括導(dǎo)航信息、重疊信息、誤差信息等。處理過程為:新建礦山地質(zhì)工程文件夾→轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)格式→從終端添加基準(zhǔn)站信息與移動信息→GNSS數(shù)據(jù)解算處理→Combine→圖像平滑處理→導(dǎo)出圖像處理結(jié)果。以此種方式,實現(xiàn)基于無人機機載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集與處理。

        1.3 基于礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)的測繪成圖過程

        在完成獲取影像信息的處理后,通過Pre軟件將激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)進行深度融合,融合后按照標(biāo)準(zhǔn)的解算流程,將信息呈現(xiàn)在GCGS1000坐標(biāo)軸下,生成一個支持las格式的礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)集合[3]。并按照對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型,分類礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)集合,最終生成一個符合礦山地質(zhì)環(huán)境的等高線、高程信息點。處理過程為:礦山地質(zhì)點云數(shù)據(jù)集合自動歸類→結(jié)合工作人員實測點信息,對歸類結(jié)果進行人工檢測→使用計算機設(shè)備人工編輯采樣結(jié)果→生成礦山地表層測繪點集合→構(gòu)建數(shù)字化高程信息模型→生成點云分類結(jié)果。

        在完成對點云數(shù)據(jù)的分類處理后,參照DEM模型對圖像信息進行初步建模,并通過工作人員輔助操作的方式校正模型。手動分離處理生成模型中的不符合測繪工程的三角網(wǎng),并將模型中未實現(xiàn)分離的三角網(wǎng)信息進行地面校正,直到構(gòu)建的所有三角網(wǎng)均符合礦山地質(zhì)工程測繪標(biāo)準(zhǔn)。針對其中突出的高程數(shù)據(jù),采用校正軟件分類等高線的方式,對其參數(shù)進行調(diào)整,并實現(xiàn)對所有網(wǎng)格的最小化處理,確保測繪結(jié)果的高精度。

        在完成對測繪的點云數(shù)據(jù)進行高精度劃分后,分離測繪數(shù)據(jù)集合中的等高線,定位線中關(guān)鍵點,使用CAD軟件對測繪圖像進行自動生成。生成過程中,可設(shè)置一個最小面積、等比例尺度與光滑強度等參數(shù),生成圖像過程中,所有的等高線均需要按照等高程比例尺進行縮放。按照不同點間隔,生成點云坐標(biāo),將所有坐標(biāo)文件導(dǎo)入Cass軟件進行編輯操作,以此實現(xiàn)測繪結(jié)果的成圖。

        2 實例應(yīng)用分析

        選擇某礦區(qū)作為此次實例應(yīng)用的場所,在實驗過程,為了滿足礦山工程實際需求,在開展相關(guān)研究工作前,由技術(shù)單位按照工作規(guī)定,向地方政府及有關(guān)部門進行空域飛行權(quán)限的申請,在取得工作申請后,將《GPS/IMU航空輔助攝像標(biāo)準(zhǔn)》文件作為此次工作實施的參照標(biāo)準(zhǔn)(文件要求測繪點誤差在±1.0mm范圍內(nèi),精度在1.0mm范圍內(nèi))。

        完成準(zhǔn)備工作后,布設(shè)測繪點,此次實驗共選擇6.0個測繪點,如下表2所示。

        表2 礦山地質(zhì)測繪點

        在完成對測繪點的布設(shè)后,使用高程比例尺對礦區(qū)地質(zhì)圖像進行縮放,并且通過無人機機載激光雷達(dá)按照文章中提出的方式,進行多點的影像采集,采集圖像后,處理圖像,并生成測繪點云圖。在此基礎(chǔ)上,整理測量的測繪數(shù)據(jù),統(tǒng)計為表格,對照每個測繪點的高程數(shù)據(jù)精度與誤差是否符合真實測量標(biāo)準(zhǔn)。如下表3所示。

        表3 實驗結(jié)果

        結(jié)合上述表3中的數(shù)據(jù)可知,測繪結(jié)果的精度均在1.0mm范圍之內(nèi),測繪點的誤差均在±1.0mm范圍之內(nèi),兩者均滿足《GPS/IMU航空輔助攝像標(biāo)準(zhǔn)》文件的要求,因此,本文方法具有實際的應(yīng)用價值。

        3 結(jié)語

        截至當(dāng)下,已有較多的理論研究表明,將無人機機載激光雷達(dá)應(yīng)用到礦山地質(zhì)測繪工作中,但是多數(shù)研究成果現(xiàn)今仍處于理論研究階段,并未在實際中得到證實,并且,對于礦山工程而言,開展地質(zhì)的測繪工作,獲取礦區(qū)內(nèi)的地勢、環(huán)境、地層變化趨勢等信息,是保證工作順利實施的必要條件,但是由于礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,相關(guān)的測繪工作難度較大。因此,本文在早期研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種針對礦山地質(zhì)的測繪方法,結(jié)合無人機機載激光雷達(dá),實現(xiàn)礦山工程的質(zhì)量與工作效率的同步提升。

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