基于激光雷达技术的矿山测量工程数字化系统设计与应用

彭 鑫

（天津华北地质勘查局，天津 300170）

近年来，信息时代的到来改变了各行各业的发展方向，各种新型测绘技术的应用实现了工程测绘的现代化发展。激光雷达测绘技术是当前工程领域应用最为广泛的技术，比如在矿山工程、建筑、国防、航空等领域，激光雷达测绘技术都发挥着越来越重要的作用[1]。为了进一步提高矿山测量工程整体水平，促进矿山测绘领域的现代化发展。文中结合实践，对基于激光雷达技术的矿山测量工程数字化系统设计与应用进行研究，以供参考。

1 激光雷达测绘技术概述

（1）激光雷达测绘技术的发展历程。激光雷达作为一项现代高科技技术手段，在构建数据模型以及绘制大型3D目标场景方面发挥着无可替代的作用。利用此项技术，能够精准及时的对实体三维空间坐标进行获取，并利用拍摄的数码照片，来绘制场景数据模型，激光雷达测绘技术，获取的数据不仅客观高效，同时十分真实，能够在短时间内及时获得实体目标形态特征。

（2）激光雷达技术的分类。由于激光雷达技术存在不同载体，可将此将技术划分成地面三维激光雷达技术以及机载激光雷达技术。前者是基于地面载体来实现测绘工作，工作系统主要由激光扫描技术、GPS以及数码照相技术共同组成，可以基于地面纬度，来扫描测量所测物体，并借助软件对获得的激光反射回波信息以及所测目标表面影像开展建模工作。具体应用时，在地面安装三维激光扫描系统，同时也可移动设备上进行搭载，高效的采集相关数据。

机载激光雷达体系有着更为完善的系统与设备，如系统当中主要包括GPS定位系统，高精度测量仪器以及现代数码相机与惯性制导仪，在测量目标过程当中，能够达到动态测量效果。机载激光雷达测绘技术相较于地面雷达测绘技术，不仅性能更加优越，而且速度极快，可以高效的开展长距离远距离测绘，所以在测绘工作实际应用十分普遍[2]。该项技术在我国应用于发展已经多年，对于工程测绘技术发展起到了巨大的带动作用，取得的成绩也非常显著。

2 激光雷达测绘技术的测量原理

测量区域电磁波传送以及把控工作，通过现代光频波段技术来实现，这是激光雷达测绘技术重要的工作原理，借助传输与收集电磁波，可以更加精准的判断物体具有的距离、高度和体积等信息数据。与普通光波相比，激光具有十分明显的方向性，同时有着较为单纯的颜色与突出的相干性，具有很强的抗干扰特性。所以在工程测绘工作当中，利用激光雷达技术效果十分理想。在具体测绘工作实际，物体表面被激光束打到之后，会有反射现象出现，同时雷达接收这些反射光素，雷达内部系统，可依照光速发出与收回所用时长，计算物体距离。激光云点主要是通过汇聚的激光点所形成，在系统中对云点进行重构绘制成图像。

发射于回传激光速具有非常高的频率，而且，接收器主要处在高频运转过程当中，回转的光速，主要包括高度、距离等有关信息，在对机载激光雷达系统应用过程中，设备处在不同的位置高度，也会存在不同的平面精度，高程精度在10cm～30cm时，可以达到0.15m～1m左右的平面精度。

3 激光雷达测绘技术的相关内容

激光雷达技术，能够对所测物体有关信息数据快速及时获取，如距离、体积等信息数据，实时跟踪动态信息变化趋势，保证测绘效率和质量。正是由于激光雷达测绘技术诸多优势特点，在矿山测量工作当中发挥着越来越重要的作用。然而实际应用时，应当结合矿山工程具体要求，确保矿山测量工作高效进行。

（1）非机械扫描方式。声光扫描作为一种最为典型的非机械扫描方式，基于声光效应基础上，声波通过声光介质便会对其疏密程度形成影响，倘若衍射光角度以及频率出现改变，提示介质被光速穿过时有衍射效应出现，改变超声波生产，基于这一原理基础上制成扫描设备。激光入射角以及声波面夹角达到一定条件时，衍射光在介质内便会发生彼此干涉，将0级和1级衍射光留下。相较于声光扫描，电光扫描也是一种应用普遍的非激光扫描形式，基于晶体电光效应前提下，把偏移之后的出射光进行扫描，在晶体当中，光束在相应方向上出现折射率变化，所以在经过晶体时，便有相位差产生，电场中的电光晶体，改变的出射光角度，和电场有着非常紧密的关联性，晶体中的光束发生相位差改变，激光出射角同时出现偏转。

（2）机械扫描方式。如振镜扫描，一端连接扫描电机，借助转动电机，来偏转振镜，在此过程当中，由于镜面反射会改变激光出射角，沿X轴转动的振镜上首先投射出激光光束，并借助反射至沿Y周旋转振镜上，在这个过程当中借助彼此配合来达到二维平面扫描的效果，但对灵活性方面进行考虑，应当有效控制扫描频率以及结构冗余问题。

4 基于激光雷达技术的矿山测量工程数字化系统应用分析

（1）对矿山地形数据进行获取。在分析矿山地形测量精度过程当中，矿山地形数据首先通过激光雷达为技术进行获取，然后分析比较获得的信息数据，了解和掌握矿山地形特点。具体应用此项技术过程当中，应当充分考虑矿山地形特征，科学设置激光雷达相关参数，以确保高效率，高质量的对相关信息数据进行获取。通过激光雷达测绘技术，去采点地形数据时，主要借助雷达，将激光冲脉发射向矿山地表，到达矿山地表的激光冲脉，通过传感器，来有效接收激光冲脉反射信息，并基于GPS系统A传感器地理位置进行确定，并利用IMU惯性测量对雷达实时姿态数据进行测量，在此基础上将全部激光冲脉和接触地面空间三维坐标进行获取，最后通过分类技术应用，移除无关信息数据，确保高效率、高质量的获取矿山地形信息数据。

（2）矿山地形数据处理。处理矿山地形数据的优劣，对于分析结果精准度有着至关重要的影响，通过激光雷达技术，对矿山地形进行测量，获取到的信息数据十分巨大。因此，为了有效提高数据处理质量，保证处理效率，激光雷达测试数据通过TerraScan技术完成处理。激光雷达测绘技术具有很强的复杂性，以至于每次扫面重叠部分的数据存在很大不同，因此应当有效拼接激光数据并完成分类处理，确保平稳过渡重叠与非重叠方面的数据，达到无缝连接矿山地形数据的效果，最后滤波处理剩下的数据，并剔除一些不明显的矿山地形数据，有效控制数据文件，为高精度分析后续数据精度提供判断依据。

（3）实现矿山地形测量精度分析。利用激光雷达技术进行矿山地形测量精度分析时，是通过分析处理激光雷达测绘数据，基于矿山地形形成一定比例会制成相应的空间三维模型，模型网格间距是否符合矿山地形等高距比例尺相关要求，之后对部分模型数据进行挑选，当做精度对比参照，在此基础上，对矿山地形测量数据有无达到先期设定精度要求进行分析。首先通过云技术对这些数据进行分类，然后对矿山地面各点坐标信息数据进行提取，在这些数据基础上，生成相应比例数字表面模型，之后标记模型类相对的对标数据，在此基础上形成和矿山地形实际相符合的等高线图，然后将各种地形、高度以及给覆盖程度不同数据当做检查点，对比分析检查点相对的数据和矿山地形测量数据，将各点误差计算出来，并对矿山地形等高线平均误差进行计算，在此基础上对矿山地形测量精度做出准确分析。

5 矿山地形测量当中应用激光雷达测绘技术的实际意义

现如今，伴随经济社会高速发展，社会各个领域对矿产资源需求越来越大，加大矿山资源开发成为满足社会各个领域矿产资源需求的重要途径。而在开采矿山资源过程中，如果未能将先进技术充分发挥出来，便会对矿山资源开发效率和质量造成很大影响，更甚者破坏周边环境，导致严重的生态环境问题。激光雷达技术作为一种现代化高新技术手段，在矿山数字化建设过程当中发挥着极为重要的作用，利用此项技术，工作人员便可基于测绘信息数据前提下，对矿山区域地形地质情况全面了解。

6 结语

激光雷达测绘技术作为一种现代化的测绘技术手段，在矿山测量当中发挥着非常重要的作用，不仅可以对矿山地形信息高效获取，还能保证测绘精度，大幅提高分析效率，激光雷达测绘技术把测量技术和数据分析技术充分融于一体，实现了测绘技术的革命性发展，而且在今后科技不断创新和发展进程当中，激光雷达测绘技术将有着更大的发展潜力与应用空间。