基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析

基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析

韦万炳

广西赛维信息技术有限公司 南宁市 530001

摘要：本文研究的主要目的是科学技术与地质工程快速发展的背景下，明确激光雷达测绘技术在矿山地形测量中应用的重要性。通过解析技术原理，分析影响其测量精度的技术要点，并创建有针对性的精度实验几方面展现激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度优势，进而推动国家产业结构转型，满足社会工业生产需要。此次研究选用的是文献研究法，通过对相应文献的查找，为文章的分析提供一些理论基础。

关键词：激光雷达测绘技术；矿山地形测量；精度分析

前言：激光雷达测绘技术是利用激光反射原理实现的高精度数据采集、处理、分析技术，矿山工程是我国原料采集中产业的重要一环，而以激光雷达测绘技术为代表的具有精确度优势的现代科技增加了工程作业的安全性与效率。但由于我国矿山工程现代化开发历史较晚，有关该技术在山地地形测量的精度研究还不足，目前亟须从理论与实践两方面进行研究总结。因此，本文此次研究的内容和提出的策略对产业结构转型升级具有理论性意义，对提高矿山地形测绘的质量与水平具有现实意义。

1. 激光雷达测绘技术

1. 激光雷达技术

激光雷达本质是一种利用激光束实现的雷达探测系统，其技术原理是将激光束发射向被测物，随后接收被测物的反射信号，并与原发射信号进行比对分析进而得出被测物位置、形态、移速等特征，该技术最早应用于军事，现阶段已经累积了较为丰富的实践经验。在激光雷达测绘技术中其技术构成主要包括激光发射装置、光学接收设备以及激光转换仪器与数据处理系统^[1]。其中最关键的技术部分是激光发射装置与光学接收设备，在激光发射装置中电脉冲实现了向光脉冲的转化，而光学接收设备则将光脉冲进行还原，将原始发射数据与二次接收数据的单位进行统一，并在显示器中直观呈现出来。相较于传统测绘技术，激光雷达测绘具有明显的技术优势。第一，激光雷达显示的测量结果具有较高的分辨率，能够满足测量精度需要；第二，激光雷达发射的激光信号较为隐蔽，具有较强的抗干扰能力；第三，激光雷达设备质量轻盈且携带设备体积较小，提高了测量过程中的便利性与灵活性。

2. 激光雷达在矿山地形测绘技术中的应用

除了使用激光雷达自身的电磁波与激光的反射效果进行数据的收集与比对。激光雷达技术在广义上可以将在目标地形进行测量所使用的辅助技术囊括在内。在矿山地形测绘中激光雷达技术搭配GPS卫星导航技术共同使用，由于激光雷达所发射的电磁波与激光束是以点状云阵的方式进行排列的，无数的激光点在三维坐标系中存在自己的坐标，GPS技术可以实现对测绘目标的粗略判断，通过调整坐标轴数据的方式优化激光雷达的激光点布局。机载激光雷达系统是激光雷达在矿山地形测绘技术中的主要应用形式，该设备可以在接收器高频率运作的前提下对信号回传的平面精度进行相应的调整，增强机关雷达技术在实际应用中的准确性与能动性。

2. 激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析要点

1. 矿山地形数据获取要点

激光雷达技术在矿山地形测量的实际应用中具有复杂性与系统性的特点，其内部涉及工作环节众多，范围涵盖雷达技术准备、技术实施、数据搜集、数据整理与数据提交的全流程，其中关于数据获取的部分是机关雷达测绘的最终目的也是该技术有效性的重要表现。作为矿山地形测量精度保障的基础环节，矿山地形数据获取要关注以下几方面要点。第一，测量矿山地形数据前要对激光雷达测绘设备完成基础校准，以便为后续的数据比对环节提供有效参考；第二，在测绘技术使用的初始阶段，技术人员需要利用GPS、GIS、RS等定位技术对目标矿山地形进行充分考察与把握，尽量多的利用现有信息设置激光雷达相应参数，其中包括激光点频、飞行速度、扫描电机等，以确保最终测量结果的针对性与有效性^[2]；第三，在测绘技术的实际使用过程中要注重多种技术手段在使用过程中的协同效应发挥，在传感器接收光电信号的同时可以使用卫星定位系统对数据进行二次校准保证数据获取的准确性，同时在激光雷达设备运行过程中也可以采用IMU惯性测试装置作为辅助，实时监测雷达运行状态，保证激光脉冲与目标矿山定位接触的一致性与侧重性；第四，在通过激光雷达技术获取矿山地形数据后，需要采用分类整理的方式对数据进行归档与整理，将与矿山无关的数据进行剔除，扫除冗余数据的干扰，为后续的数据采用提供便利。

2. 矿山地形数据处理要点

数据处理环节激光雷达在矿山地形测量中精度分析的中心环节，是连接数据获取与数据分析的过渡阶段，其处理的最终效果直接影响了整个数据分析的精度，可以说只有科学有效的数据处理才能最大程度上发挥激光雷达技术在数据采集方面在质与量两方面的优越性。作为矿山地形测量精度的保障性环节，矿山地形数据处理的效率主要通过以下几方面进行保证。第一，针对雷达测绘技术的局限性，在地形数据处理中采用TS技术进行精度辅助，由于雷达测绘技术依赖于激光脉冲信号的反射，一旦在矿山地形测绘过程中遇到大规模的水体，激光冲脉的落脚点就会出现缺失，该情况下传感器信号则会出现乱码错误，在此时就需要TerraScan技术对机关雷达的测绘数据进行更新与替换，以保证数据的有效性与实用性

^[3]；第二，激光雷达技术在测量过程中受到外界多种因素的共同影响，其本身的测量结果就存在一定的复杂性，为了最终的测绘精度在实际测量过程中往往需要数据的多次获取，这使得矿山地形已有的收集数据中存在大量交叠重合部分，因此在实际的数据处理过程中需要相关管理人员详细比对数据差异，通过数据分类与拼接的方式组建平稳过渡的矿山地形数据网络；第三，为了减小矿山地形数据管理难度，方便矿山地形数据储存与传输，需要将矿山地形数据的文件大小进行一定的限制，施工单位中的数据管理人员在矿山数据处理过程中需要适当采用滤波技术将代表性不强的数据进行删除，并对关键阶段的测绘数据进行及时备份以提高数据处理与管理的效率。

3. 矿山地形测量精度分析要点

使用激光雷达技术对矿山地形测量精度进行分析的过程就是根据所收集与整理的相关数据绘制测量目标三维空间模型的过程，是整个激光雷达测绘技术的最终实现环节^[4]。对于精度分析主要以空间模型是否与测量目标比例一致作为衡量指标。该技术环节强调模型网格内的间隔要与目标矿山地形等高比例对应，为了保证最终测量结果的精度表现，对矿山地形测量精度进行分析需要尤为注意以下几方面。第一，作为整合数据的三维模型搭建过程，其技术水平的高低与科技含量的比例至关重要，以云技术为例，在现有矿山地形测量分析方法的基础上云技术将为测量数据提供更优化的分类管理，云技术内置巨大虚拟存储空间，随着使用频率的增加其内部测量数据库不断更新，使用者可以通过查阅历史数据寻找地面坐标最优的分类规律，大幅提升了提取关键坐标系的速度与精度，而后搭乘云计算的速度优势实现空间三维模型在数字空间的快速生成，以实现数字矿山的构建^[5]；第二，三维模型搭建的关键在于寻找模型中的关键点，矿山地形测量精度分析应当在把握数据过渡关键节点的基础上充分利用数据信息，以生成信息丰富准确的矿山地形等高图；第三，现阶段的激光雷达测绘技术在矿山地形测量过程中尚无法达到100%的精度，因此技术人员需要在模型搭建过程中将地形等高误差的平均值考虑在内，以完成对于矿山地形测量精度的分析。

3. 激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度实验

1. 实验背景

本次实验在限定矿山地形测量设备系统及内置参数（OptechALTN激光雷达扫描系统）的前提下，针对国内某矿区的实际工程经过技术设计采用的激光雷达测绘技术方法，对进行矿山地形测量的精度分析实验。实验中涉及到的测区数据及实验所使用的设备参数设置如表1、表2所示。

表1 测区基本概况

表2 测试用激光雷达基础参数初始设置

2. 实验结果

为本次精度分析实验的样本可靠性，本次实验选用941个检查点数据样本，内含平面检查点521个、高程检查点420个，并将测量准确性控制在98%以上。具体实验数据如图1、表2所示。根据实验数据所示，激光雷达测绘技术相较于传统测绘技术在矿山地形测量中其分析的准确性存在明显的优势，能够为矿山作业的开展提供充分有效的信息支持^[6]。

图1 测区DSM数据

表3 实验结果数据

结束语：在矿山地形测量中应用激光雷达测绘技术是发展现代化矿山工程的需要，对于地形数据精确的分析可以实现对工程方案的优化与工程效率的提高。通过本文研究得知激光雷达测绘技术的反射原理决定了该技术的精度优势，为了最大化地发挥优势，激光雷达测绘技术需要做好矿山地形数据获取、矿山地形数据与矿山地形测量精度分析工作，基于此本文进一步通过实验证明了激光雷达测绘技术在矿山山地地形测量中的精度潜力。

参考文献：

1. 罗芬,刘明.基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度研究[J].世界有色金属,2020(18):33-34.

2. 曾祥凯.基于激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度分析[J].世界有色金属,2020(01):31-32.

3. 吴端松.机载激光雷达测绘技术矿山测量中应用研究[J].世界有色金属,2019(02):21-22.

4. 范传辉,曹久立,吴成秋.工程测绘中激光雷达测绘技术的应用探析[J].工程技术研究,2018(06):77-78.

5. 王国良.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用分析[J].低碳世界,2017(28):85-86.

6. 张忠伟.论激光雷达测绘技术在工程测绘中的重要性[J].通讯世界,2017(14):276-277.