蔣禮程

（廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 511300）

近些年來，在我國礦山工程的實(shí)際建設(shè)過程中，工程測繪是十分重要的一項(xiàng)內(nèi)容，可以為礦山工程項(xiàng)目開展提供有力依據(jù)。然而，礦山往往位于山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，植被茂密，人煙罕至，施工的前期測繪難度較大。礦區(qū)開采過程中的，施工區(qū)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(xiǎn)系數(shù)高的問題。因此，跟傳統(tǒng)測繪方式相比，無人機(jī)機(jī)載lidar技術(shù)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(dá)被植被覆蓋的地表，獲取植被一下地形數(shù)據(jù)，經(jīng)過激光點(diǎn)云的分類處理得到地面點(diǎn)數(shù)據(jù)生成高精度DEM數(shù)據(jù)，為礦區(qū)施工管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。與此同時(shí)，相比傳統(tǒng)測繪方式，機(jī)載激光lidar數(shù)據(jù)采集高效，測量點(diǎn)位更為密集，且精準(zhǔn)。

1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)概述

1.1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)概念

對于激光雷達(dá)而言，其主要是光頻波段工作的雷達(dá)，可以通過光頻波段的電磁波，將探測信號(hào)向目標(biāo)地點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射，并對比發(fā)射信號(hào)與接收到的同波信號(hào)，從而對目標(biāo)的高度、距離以及方位等位置進(jìn)行明確，掌握具體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，以此來有效識(shí)別、探測以及跟蹤目標(biāo)。激光雷達(dá)的組成部分具體包括激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)、信息處理系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)以及操控顯示終端等[1]。

1.2 激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)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(qiáng)，具有良好的相干性程度，可以避免受到外界環(huán)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(yīng)用范圍。在礦山測繪工程中對激光測量進(jìn)行應(yīng)用，可以使距離測量的科學(xué)性以及準(zhǔn)確性得到提高，并確保數(shù)據(jù)結(jié)果采集具有較高的可信度，而且還有著較強(qiáng)的抗干擾性能。在對激光雷達(dá)技術(shù)測量進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要采用激光器向物體外表面發(fā)射激光，部分激光會(huì)發(fā)生反射，而激光雷達(dá)當(dāng)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(zhǔn)確測出接收時(shí)間長短，并對激光器在物體上的發(fā)射距離進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。通過將激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)在工程測繪中進(jìn)行應(yīng)用，可以對激光器位置的坐標(biāo)信息進(jìn)行獲取，并通過GPS技術(shù)對各個(gè)激光點(diǎn)的大地坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，使眾多的激光點(diǎn)能夠匯聚形成激光點(diǎn)云，對點(diǎn)云圖像加以構(gòu)成。除此之外，激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)可以對同一脈沖的多次反射進(jìn)行記錄，在樹冠最頂部打上這些激光束，剩余激光束則會(huì)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(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生。相關(guān)測繪人員可以在工程測繪中廣泛應(yīng)用激光雷達(dá)測繪這一特點(diǎn)，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(jìn)行獲取，對樹木和建筑物的高度信息進(jìn)行準(zhǔn)確獲取[2]。

圖1 點(diǎn)云分類后地面點(diǎn)模型

圖2 點(diǎn)云分類后剖面圖

2 激光雷達(dá)測繪技術(shù)在礦山工程測繪中的應(yīng)用

針對數(shù)字礦山進(jìn)行分析，其主要在礦山工程管理過程中應(yīng)用數(shù)字化，可以合理開采和優(yōu)化利用礦山資源，從而使礦山開采對環(huán)境造成的污染問題得到減少。結(jié)合當(dāng)前情況進(jìn)行分析，我國在資源開采過程中還存在相關(guān)問題，普遍存在過度開采以及浪費(fèi)等現(xiàn)象，這也導(dǎo)致我國礦產(chǎn)資源出現(xiàn)嚴(yán)重短缺問題。為了使此現(xiàn)狀得到改善，使資源浪費(fèi)和污染問題得到減少，需要有效創(chuàng)建數(shù)字礦山。為了能夠充分實(shí)現(xiàn)礦山工程的數(shù)字化管理，需要對激光雷達(dá)測繪技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用。具體而言，通過對激光雷達(dá)測繪技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以準(zhǔn)確測繪礦山地形地貌信息，對3D礦山模型加以構(gòu)建，以此來為礦山規(guī)劃提供科學(xué)合理的技術(shù)保障。除此之外，通過對3D礦山模型進(jìn)行應(yīng)用，可以在礦山突發(fā)性事故出現(xiàn)時(shí)，快速找到爆發(fā)點(diǎn)，使寶貴時(shí)間得到節(jié)省。而且還可以采取有效措施，使相關(guān)事故損失得到減少，有效控制礦山事故風(fēng)險(xiǎn)[3]。

以某地花崗巖采石場項(xiàng)目為例，我們按季度為該礦場進(jìn)行激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過相鄰兩期數(shù)據(jù)比對，從而有效掌握礦場采挖進(jìn)度，避免過渡開采，違規(guī)開采等，為礦產(chǎn)數(shù)字化管理提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

項(xiàng)目實(shí)施過程我們首先在已有資料的基礎(chǔ)上對測區(qū)進(jìn)行踏勘，踏勘已有控制點(diǎn)的可利用情況，并且進(jìn)行參考面的布設(shè)和測量工作。根據(jù)測區(qū)地形地貌情況和項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)航攝方案，使用無人機(jī)搭載機(jī)載LIDAR航攝儀進(jìn)行航空攝影測量，獲取測區(qū)的影像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)處理軟件，對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，基于分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)及原始影像數(shù)據(jù)制作數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）。

2.1 數(shù)據(jù)采集

本次項(xiàng)目采用的飛行平臺(tái)為無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)CW-30L為油動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)。CW-30L具備垂直起降，全自主起降、精準(zhǔn)導(dǎo)航的功能，其最大載荷能力6kg，滿載滿油情況下，續(xù)航1小時(shí)，與此同時(shí)CW-30L的巡航飛行速度可達(dá)到100km/h，效率更高。

采用的設(shè)備為縱橫公司的CW-30L無人機(jī)搭載RIEGL VUX-1LR激光雷達(dá)系統(tǒng)，飛機(jī)為垂直起降固定翼無人機(jī)。慣導(dǎo)系統(tǒng)為諾瓦泰KVH1750光纖慣導(dǎo)，該慣導(dǎo)采樣頻率為200Hz；激光掃描儀的型號(hào)為RIEGL VUX-1LR，最大脈沖頻率為820kHz，掃描角度可自由調(diào)節(jié)，本次使用掃描角度為90°。

本次項(xiàng)目我們針對測區(qū)情況及技術(shù)要求，使用脈沖頻率為600KHz，飛行高度為200m,設(shè)計(jì)點(diǎn)密度為17點(diǎn)/m2。

2.2 激光點(diǎn)云分類

在數(shù)據(jù)獲取后，首先需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理是由原始激光數(shù)據(jù)經(jīng)過解算，對其平面和高程進(jìn)行校正，得到精度符合要求的初步點(diǎn)云成果。主要包含POS數(shù)據(jù)處理、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

POS數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備所需數(shù)據(jù)：基站數(shù)據(jù)(Base.txt)、移動(dòng)站數(shù)據(jù)（GNSS.txt）、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)（IMU.txt）、中繼站數(shù)據(jù)（CORS.dat）。

POS數(shù)據(jù)處理：在IE中新建工程，分別將已轉(zhuǎn)換后基站數(shù)據(jù)、移動(dòng)站數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)添加進(jìn)工程，并填寫好基站坐標(biāo)。使用TC緊耦合解算方式，設(shè)備數(shù)據(jù)文件里自帶慣導(dǎo)類型、設(shè)備桿臂值、旋轉(zhuǎn)角，可直接進(jìn)行組合解算。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過JoLiDAR預(yù)處理軟件將獲取到的三維激光點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)與經(jīng)過后差分解算后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，將其處理成通用las格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)在該軟件中可進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可將輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成所需的目標(biāo)坐標(biāo)系，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和數(shù)據(jù)分析。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過對平面和高程進(jìn)行校正后，通過自動(dòng)處理及人工交互處理方式進(jìn)行精細(xì)分類，分別提取地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的步驟。具體如以下幾個(gè)步驟

（1）數(shù)據(jù)分塊

讀取不同航帶的機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按成圖比例尺等技術(shù)要求對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，一般可以按照矩形分塊，每一個(gè)分塊為一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元。

（2）噪聲點(diǎn)濾除

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

為減少噪聲點(diǎn)對后期數(shù)據(jù)處理的影響，應(yīng)利用自動(dòng)算法或人工編輯方法將噪聲點(diǎn)從點(diǎn)云中濾除。對于極低點(diǎn)或點(diǎn)群、極高點(diǎn)或點(diǎn)群，可在大范圍內(nèi)進(jìn)行集中濾除。對于其他分布異常的點(diǎn)或點(diǎn)群，在噪聲點(diǎn)濾除過程中應(yīng)重點(diǎn)與植被點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。

（3）航帶重疊區(qū)處理

為減少航帶重疊區(qū)冗余數(shù)據(jù)對后期數(shù)據(jù)處理的影響，參照航跡文件，宜濾除航帶重疊區(qū)的冗余數(shù)據(jù)。

（4）分類編輯

通過宏命令，結(jié)合地形地貌設(shè)置好合適的參數(shù)后，不斷地建立地表三角模型來分類地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)。用已經(jīng)選擇好的最低點(diǎn)作為初始地面點(diǎn)構(gòu)建TIN模型。在這個(gè)初始地面模型中，大部分的點(diǎn)都是在地面以下的，只有其中相對較高的一些點(diǎn)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(diǎn)來抬高擴(kuò)建地面模型，不斷加入的新點(diǎn)使得模型逐漸趨近地表一些，最終得到一個(gè)近似地面模型，從而實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)的分離。

（5）人工編輯檢查

人工編輯檢查是對宏命令運(yùn)行后的地面點(diǎn)、非地面點(diǎn)進(jìn)行檢查。分類宏的分類效果受地形的起伏、地形的復(fù)雜程度、植被的密疏情況、宏參數(shù)的設(shè)置等因素影響，造成某些區(qū)域的分類效果較差，對這些區(qū)域，需要重新設(shè)置宏參數(shù)過濾或者手工編輯，將分類錯(cuò)誤的點(diǎn)歸入正確的層。經(jīng)過編輯檢查后，才是分類后的成果分類點(diǎn)云。

2.3 數(shù)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(diǎn)云制作的高精度DEM上進(jìn)行逐個(gè)像元的微分糾正和投影差改正后，再進(jìn)行勻色、鑲嵌編輯，即可形成數(shù)字正射影像圖。

（1）導(dǎo)出各像片的外方位元素

利用航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理階段解算的航跡文件，導(dǎo)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(xiàng)目采用帶高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)的航攝儀進(jìn)行作業(yè)，可精準(zhǔn)記錄各像片的外方位元素，可實(shí)現(xiàn)無像控參與下空中三角測量。將影像初始外方位元素導(dǎo)入專業(yè)空中三角測量軟件，空中三角測量計(jì)算結(jié)束后，利用平面精度驗(yàn)證點(diǎn)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(jìn)行色彩、曝光度和飽和度等的調(diào)整和勻色處理。勻色處理應(yīng)縮小影像間的色調(diào)差異，使色調(diào)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(cuò)位、扭曲、變形等問題及現(xiàn)象，查找原因并進(jìn)行處理。

（4）鑲嵌

使用影像處理軟件對影像進(jìn)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(xì)挑選，以使色調(diào)變化和看得見拼接線減到最少，鑲嵌線的編輯要注意細(xì)節(jié)。

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(cè)難免會(huì)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(shù)字高程模型（DEM）制作

基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理，利用前面點(diǎn)云分類后得到的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，將地面點(diǎn)通過不規(guī)則三角網(wǎng)或格網(wǎng)等構(gòu)建DEM。主要步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

將航線和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入TerraSolid軟件，裁剪航線，點(diǎn)云分塊。

圖3 前后兩期DEM對比

（2）地面模型關(guān)鍵點(diǎn)提取

利用精分類后的地面點(diǎn)來提取航帶間重疊的模型關(guān)鍵點(diǎn)，通過對關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并對其進(jìn)行內(nèi)插處理后，再實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)對柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，從而得到地面數(shù)字高程模型（DEM）。由于DEM是按照比例尺要求進(jìn)行分幅的規(guī)格進(jìn)行處理并生成的，因此必須對接邊的區(qū)域進(jìn)行檢查必要時(shí)進(jìn)行相應(yīng)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(yīng)該檢查手工分類過程中是否存在點(diǎn)云分類錯(cuò)誤的情況，并進(jìn)行相應(yīng)的修改。修改調(diào)整后再重新生成DEM并檢查接邊，以此反復(fù)調(diào)整，直到達(dá)到DEM接邊精度要求為止。

2.5 數(shù)據(jù)成果分析

本次項(xiàng)目實(shí)施過程中，我們在質(zhì)量控制方面嚴(yán)格把控，實(shí)行各級(jí)責(zé)任制。

加強(qiáng)測繪產(chǎn)品的質(zhì)量控制，實(shí)行二級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收制度。作業(yè)完成后，作業(yè)人員對完成的成果資料進(jìn)行了嚴(yán)格的自檢和互檢，對出手的資料質(zhì)量負(fù)責(zé)。根據(jù)作業(yè)組上交的成果成圖資料，項(xiàng)目部對成果進(jìn)行過程檢查。對測量資料進(jìn)行100%的室內(nèi)檢查。

本項(xiàng)目完成過程檢查后，負(fù)責(zé)質(zhì)量控制的成員對全部成果進(jìn)行最終檢查。對所有相關(guān)成圖資料進(jìn)行100%的內(nèi)業(yè)審查,完成檢查后，對成果資料質(zhì)量情況做最終評定。對不符合技術(shù)要求的測繪成果，各級(jí)質(zhì)檢人員根據(jù)所存在的問題的性質(zhì)和對質(zhì)量影響的大小及時(shí)反饋并提出整改意見。

經(jīng)過機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理及層層質(zhì)量檢查后的成果，結(jié)合兩期高精度DEM數(shù)據(jù)融合對比，得到精準(zhǔn)的礦產(chǎn)開采量，疊加數(shù)字線劃圖得到地質(zhì)圖成果。經(jīng)過與測區(qū)測設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行比對，平面中誤差小于0.3m，高程中誤差小于0.1m。滿足項(xiàng)目精度要求。

圖4 地形地質(zhì)圖

與此同時(shí)，成果數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)紅線疊加，并結(jié)合成果剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以準(zhǔn)確反應(yīng)礦產(chǎn)開采情況，可根據(jù)剖面圖可直觀的掌握礦產(chǎn)開采情況以及判斷是否依照設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范開采。本次項(xiàng)目結(jié)果顯示，礦產(chǎn)開挖依照設(shè)計(jì)進(jìn)行開采，未發(fā)現(xiàn)超越設(shè)計(jì)紅線的情況。

圖5 剖面圖

同時(shí)對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行資源量分析，礦產(chǎn)資源量的估算及分布得到更為精準(zhǔn)直觀的呈現(xiàn)，從而更為準(zhǔn)確的掌握資源量分布情況。

圖6 資源量分布平面圖

3 結(jié)束語

綜上所述，通過將激光雷達(dá)測繪技術(shù)在礦山工程測繪中進(jìn)行應(yīng)用，一方面可以使測繪工作質(zhì)量和效率得到提高，另一方面還可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測繪技術(shù)應(yīng)用中的不足，促進(jìn)我國工程測繪的快速發(fā)展。對此，在礦山工程測繪過程中，相關(guān)測繪人員需要對激光雷達(dá)測繪技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，明確該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用原理、分類，掌握關(guān)鍵技術(shù)，從而使測繪工作的精準(zhǔn)度與效率得到提高，推動(dòng)我國測繪行業(yè)的健康發(fā)展。