摘要：本文针对激光雷达测绘技术的概念、类型、原理、结构进行了阐述；研究了激光雷达测绘分析矿山地形测量精度的方法，并在实验中证明了方法的可行性；最后结合笔者的工作经验，提出机载激光雷达在地质测绘中的几点建议。

　　关键词：地质勘察；矿山；地形测量；激光雷达；测绘；精度

　　地形对矿山测绘工作的影响十分显著，在复杂的地形地貌环境中开展测绘工作，很多测量方法和技术受制于特殊的地理环境而无法应用，即使克服了地形给测绘工作带来的困难，测绘结果的准确度也会大打折扣，可供参考和研究的价值不高。与传统测绘技术相比，激光雷达具有突出的信息化、自动化优势，不仅拥有令人满意的分辨率和隐蔽性，而且还能完成低空探测，同时又具有强大的抗干扰性能。激光雷达测绘的这些特点，极大的提高了矿山地形的测绘效率与测量精度。

　　1激光雷达测绘概述

　　1.1概念

　　激光雷达是一种利用高科技进行地形测绘的技术，具有无可比拟的构建数据模型、绘制3D场景功能，可实时获取实体空间准确的坐标信息，然后自动拍摄照片，结合数据绘制模型。通过激光雷达技术得到的数据，不仅真实可靠，而且能获得提供数据的实体的三维空间图像。

　　1.2类型

　　根据载体的不同，可将激光雷达技术分为两种：一种是地面三维激光雷达，主要以地面作为技术载体来测量地形，拥有GPS、激光扫描、数字照相等功能，可根据地面的维度对物体进行扫描，并获得相关数据，然后再利用相关软件得到回波信息，最后对测绘目标进行3D建模。地载激光雷达技术需要安装三维激光扫描系统，把系统搭载在能够移动的设备上进行数据采集。另一种是机载激光雷达，与地载相比有着更先进的系统，GPS定位、现代数码相机、高精度测绘仪、惯性制导仪等，可实现动态测绘，测绘速度快、性能优越，可轻松完成长距离的地形测量。这也是现阶段我国在矿山地形测量中应用最广的一种技术，在矿山测绘工作中发挥了巨大作用。

　　1.3原理

　　光频波段是激光雷达测绘的核心技术和运作原理，三维实体的距离、高度、体积、坐标等数据，都是通过对电磁波的传递与接收来实现。电磁波的激光比普通光波指向的方向更准确，颜色纯度更高，抗干扰性更强。因此，在地质测绘工作中引入激光雷达技术可提高测绘效率和测绘水平。激光打在实体物表面时，会出现反射效应，雷达接收了反射光，雷达系统就能根据光束的传递和接收时间来得到测量物的真实距离。

　　GPS系统是激光雷达技术的重要组成部分，其功能是显而易见的。系统接收到物体坐标后，能够自动计算出激光点位的X/Y/Z坐标。就像“激光点云”，便是若干激光点共同组合而成。GPS系统中具有重建功能，可勾画出云点图像，这也是激光雷达测绘高程数据的基本原理。

　　系统接收器以极高的效率运行，而激光束的发射和回传同样有较高效率。回传光束的过程中需要把距离、高度等数据全部包括在内。考虑到机械设备安置的位置不同，高度也存在差异，因此，与之相对应的平面精准度亦有不同。当高程的精度处于10cm～30cm的区间时，其相对的平面精度可达到0.15m～1.0m。

　　1.4结构

　　本文以机载激光雷达为例，介绍系统的各个组成部分。

　　（1）GPS。可以让地面地图达到毫米级别的精度，在测绘区域内，技术员在基准站、机电处放置若干GPS接收器，可满足对区域内的全方位监控。如果探测到了GPS信号，可采用载波相位差分法测量，得到该区域的3D坐标，作为大尺度地图的数据资料。

　　（2）激光测距仪。探测距离最短为3.5m，最长可达到5000m，测量精度可分为三个级别：±0.15m、±0.5m、±1m。如果对精度的要求＜1mm，可根据事先确定好的方向设置激光脉冲，然后测试某个区域内的距离。

　　（3）IMU。这是构成GPS系统不可或缺的一部分，利用IMU技术能够监测到矿山在一瞬间的运动情况，而且能够准确定位，将GPS功能发挥到了极致。在采集到满意的数据后，还可利用IMU系统的卡尔曼滤波来处理数据。

　　（4）数据处理软件。应用轻量级的无人机时，还需要配合Terra Photo、Terra Scan等数据处理软件。Terra Photo主要用来处理数字图像，包括拼接、空三次校正等。Terra Scan的功能是分析激光测量到的各类数据，经计算机上传到系统平台。

　　（5）数据和图像的存储。仅凭IMU与激光处理软件很难保证海量数据信息的完整性，因此系统会把原始数据提供给各个数据处理模块，让各模块负责存储数据，以充分满足测绘工作的要求。

　　1.5激光雷达技术的扫描方式

　　利用激光雷达能够快速、及时的获得实物的距离、体积、高程等数据信息，实时跟踪信息的变化情况来提高测绘效率和测绘质量。这也是激光雷达测绘技术的突出优势之一，在矿山测绘工作中的价值体现的越发明显。

　　（1）非机械扫描。以声光扫描最具有代表性，基于声光效应，声波可通过声光这一介质影响其密度，如果衍射光的角度和频率发生改变，则说明介质被光速经过时产生衍射效应，改变了超声波。扫描设备便是根据这一原理设计而成的。激光的入射角和声波面的夹角在符合某些条件时，衍射光就会在介质内相互干涉，只留下0级与1级的衍射光。和声光扫描相比，电光扫描的应用也非常广泛，在晶体电光效应的基础上，扫描偏移后的出射光，晶体中，光束的折射率在某个方向上发生改变，就会产生相位差，从而使激光出射角发生偏转。

　　（2）机械扫描方式。最为人们熟悉的是振镜扫描，一端和扫描电机相连，通过转动电机来使振镜发生偏转。镜面的反射使激光射出的角度发生变化，振镜沿着X轴转动，首先就会发出激光光束，并沿着Y轴旋转到振镜上，在此过程中完成二维平面扫描。

　　2利用激光雷达测绘技术分析矿山地形测量精度

　　2.1获取数据信息

　　在环境复杂、地形特殊的矿山开展测绘工作，需要首先做好全面的规划和准备工作，检查设备性能、调试装置、采集数据、设备的存储和维护等，并按照规范的流程去执行。采集矿山地形数据只是分析测量精度的第一步，技术人员要注意以下几点：①利用激光雷达技术获取矿山地形的数据信息，并把信息应用于之后的数据处理工作中。②根据矿山的地形地貌特点设计激光电频、扫描电机、纵横点距、运行速度、净空高程等参数，保证数据的客观真实。③把激光冲脉发射到矿山表面，获取采样点的地形数据。然后借助传感器接收激光脉冲反射信息，再利用GPS定位传感器，通过IMU获得雷达监测数据，最终得到激光脉冲和地面接触的三维空间坐标。④移除采样区域内建筑层、绿化植被、构筑物等信息数据，以最大程度的保证所得矿山地形数据的真实性、可靠性和准确性。

　　2.2数据处理的关键点

　　矿山地形测量的精准度取决于对所得数据的真实性，利用激光雷达技术测量矿山地形，会得到海量数据，要想保障数据质量，必须注意以下几点：①应用Terra Scan技术处理数据，如果激光脉冲发射到水域或者没有信号的位置，那么所得数据就会以乱码的形式呈现，在处理数据时需要把乱码删掉。②通过激光雷达得到的数据规模庞大，十分复杂，每次扫描数据的重叠部分都会存在差异，因此需要对数据进行分类，实现重叠与非重叠数据之间的平稳过渡，让地形数据无缝衔接。③用滤波技术处理剩余数据，移除不能很好的反映矿山地形的数据，尽量把数据文件压缩到最小，以保证数据的精准性。

　　2.3分析矿山地形测量精度

　　技术人员根据测绘得到的数据信息，将矿山地形绘制成三维空间模型，根据比例尺的具体要求来分析等高距等参数，然后再随机选择一部分数据对比其精度，检验矿山测绘结果是否符合规范标准。为了实现矿山模型的数字化，技术人员可以通过云计算技术对初始数据进行分类，得到各个位置的3D坐标，然后标注在模型中，生成矿区的等高线图。然后结合各地区的高度、地形地貌、绿化情况来选择检查点，再把检查点的数据和之前的测绘数据进行对比，确定误差，最后对误差进行平均统计，得到测绘精度。

　　3激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的应用

　　3.1基础测绘和精密测绘

　　（1）基础测绘。保证数据的准确性、客观性、科学性，是对矿山基础区域测绘的基本要求。技术人员需要根据规定流程循序渐进的开展测绘工作，利用激光雷达技术准确定位基础测绘区域的3D坐标，提高测量数据质量。利用激光雷达技术生成数字化影像，得到高准确度的测绘地图，避免信息不充分等问题阻碍矿山测绘工作的开展。

　　（2）精密测绘。能够在短时间内获得实体的3D坐标信息，构建3D模型，为设计矿山施工方案提供参考，极大的降低了矿山资源的开采难度。将激光雷达测绘技术引入矿山的精密测绘中，可构建高精度模型，为之后的矿山规划提供科学参考。同时，激光雷达技术还能提高收集信息的效率，充分发挥各类信息的价值。

　　3.2对激光雷达测绘技术的优化

　　由于矿山地形地貌十分复杂，测绘人员在实际工作中经常面临各种风险因素，使测绘效率下降。激光雷达技术能够为矿山测绘工程提供很多辅助价值，帮助技术人员消除安全隐患，提高测绘效率，让测绘路线更加合理和安全，即使是在无法通过人工方式操作的地形中，也可以利用无人机技术获得精准的数据信息。雷达系统可以提供地形的高程，以椭球面为标准，在广阔的测绘空间中，可把地球表面当成平面来处理，基本可忽略误差，然后把测绘信息和物理模型相互叠加，得到精准度极高的3D模型。

　　3.3全面收集各种测绘信息

　　如今，全球都面临资源紧张的问题，对矿产资源的需求量也在不断攀升，矿山的开采规模和力度也比以往有了很大提高，这样很容易对生态环境造成严重破坏，也会影响现代化的可持续性发展。激光雷达技术的应用，极大的提高了数据信息的收集效率，更利于矿山测绘工程的可持续发展。激光雷达技术需要和计算机软件相结合才能达到理想的数据测量结果，并保证所测数据的准确性，有了数据信息的支持，能够提前做好预案来应对矿山资源枯竭的情况。

　　4机载激光雷达测绘技术的应用建议

　　4.1高程量测精度

　　制作大比例尺地图是激光雷达技术不可比拟的优势之一，大比例尺地图对高程测量精度的要求是1：1000。利用机载激光雷达技术，能够实现激光点云数据与影像数据的相互结合，根据测绘地区的真实情况设置像控点，再通过POS数据与像控点对区域空间进行加密，然后结合测区参数形成3D模型。

　　4.2机载激光雷达点云分类和转换坐标

　　经测区和空间三点加密，通过无人机系统得到点云资料，然后分类，根据分类结果获得地面位置，然后变换坐标。为了尽量缩小坐标变换参数的偏差，可用测区的测量点对坐标变换的误差进行校正，使参数偏差维持在0.13m以内。

　　4.3测绘精度的处理

　　利用无人机激光雷达加密测量数据，把采集的数据上传到Virtuo Zo与JX4。技术人员从激光雷达点云资料中提取测区的等高线、高程标记点等资料并进行整合，然后通过编辑功能制作大比例尺地图。

　　5激光雷达测绘技术的发展趋势

　　5.1星载激光雷达

　　卫星的运行轨道很高，为激光雷达提供了理想的观测平台，能够极大的拓展观测范围，提高观测效率，而且不会受到气温、气压、空气、地面等各种因素的影响，在灵敏度指标上占有较大优势，还能为准确绘制数字点模型与3D控制点提供参考数据，在高新技术与国防、航空领域具有极高的应用价值。

　　5.2战场侦察激光雷达

　　激光雷达不仅是一种测绘技术，更是一种侦查技术，国外已经成功研发出LR100成像激光雷达，可装置在商用机、无人机上，实现高程120m～460m的侦查，可实时获得影像数据。如果在飞机上安装摄像管显示器，还可以把需要的信息传送到地面。

　　6结语

　　综上所述，激光雷达技术与计算机软件的相互结合，完成了矿山地形的测绘工作，在基础测绘与高精度测绘中均体现出重要价值。在具体的实践应用中，应严格执行“地形数据采集——数据处理——测量精度分析”流程，并在实验中分析技术的可行性，证明激光雷达测绘技术对测量精准度的分析成果，从而为地质测绘工作提供可靠、真实、科学、完善的信息，为我国测绘工程的可持续性发展提供技术支持。