无人机机载雷达矿山开采土地变化监测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于矿山地质监测技术领域，公开了一种无固定翼无人机机载雷达的矿山开采土地变化监测系统及方法，包括用来负载激光雷达无固定翼无人机、激光雷达GPS接收机、惯导系统、激光发射、接收机、静态GPS接收机以及控制与后处理系统，包括惯导控制软件、LIDAR数据采集软件、轨迹解算软件、点云数据解算后处理软件、点云后处理软件。本发明专利技术通过无固定翼无人机机载雷达两期或多期点云数据的获取，形成不同时间段内的矿山地表地貌高差的变化，提供了一种新的矿山开采土地面积及高程变化的监测技术，掌握矿山露天开采采坑、堆渣场、采空塌陷等地表高程变化等，为矿山地质环境治理、土地复垦及开发利用规划提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
无人机机载雷达矿山开采土地变化监测系统及方法
本专利技术属于矿山地质监测
，尤其涉及一种无人机机载雷达的矿山开采损毁土地变化的监测系统及方法。
技术介绍
目前在矿山土地高程变化监测的方法和仪器有大地水准仪、高精度GPS、INSAR、三维激光扫描仪等技术方法。(1)传统的人工大地水准仪测量，或高精度GPS技术，在地面对高程点进行点对点测量，形成“点”状高程变化数据。测量结果形成面状图形，而不是地表高程变化的立体图；(2)卫星雷达INSAR技术，虽然可以进行矿山开发地表变化测量，测量结果能够形成“面状”数据，只能反映面积性的变化，难以形成既有面积变化又有高程变化的三维立体化图；其缺点是不能随时自主获取数据，且高程剧烈变化的监测如采矿塌陷等监测精度不准。(3)地面三维激光雷达测距仪，通过在地面架设人工基站，目前大多用于监测斜坡体地表滑坡变形的监测，而不是从空中直接采集云数据。综上所述，相对于本技术专利技术，以上监测技术存在的技术缺陷：以往矿山土地变化监测主要采用水准测量技术、GPS测量技术等传统的“接触式”单点测量方法，不仅需要大量的人力、物力和财力，还需要测量人员或仪器与监测对象接触，观测过程受地形、地物条件的限制，而且获取的数据离散，很难反映立体监测成果。INSAR技术主要用于区域性的因抽取地下水而造成平原地区地表松散层压缩形成的地面沉降监测，如华北平原地面沉降、苏州无锡常州以及上海等地面沉降等，一般监测变形的高程变化为小于50mm，对于大于高程从数百到上千mm的剧烈变形的区域，监测结果不准。如采空塌陷等快速形变量大时则监测数据失准，同时INSAR自身成像条件受大气效应、时间失相关和空间失相关影响的苛刻性，以及卫星公司采集的数据制约，很难反映土地剧烈变化的立体监测等问题。
技术实现思路
针对现有地面监测及卫星INSAR技术存在的问题，本专利技术提供了一种小型无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法，采用无固定翼无人机机载雷达低空采集地面矿山开采土地变化的点云数据，得到不同时间段内的矿山地表地貌高差的变化，形成矿山土地变化的三维立体图，实现矿山开采土地高程变化的直观立体监测。进一步，无人机机载雷达矿山开采损毁土地的监测方法包括以下步骤：步骤1：依据监测范围大小，在测区外布设2-6处控制点(高程基准点)，获取基准点的经纬度坐标和高程；在监测区内均匀布设人工监测点，通过水准测量和控制测量获取监测点的经纬度坐标和高程，用于后期校正数据精度。步骤2：机载雷达航线布设依据无人机电池电量，参考GPS基站架设位置或者人工监测点位置，合理设计航线；根据技术参数要求，各架次的旁向重叠率不低于30％。步骤3：安装调试好无人机载雷达系统后，架设GPS接收机并开机进行静态GPS数据接收，然后打开激光雷达进入数据采集状态，启动无人机，按照设计的航线进行飞行。步骤4：飞行采集地面的点云数据；步骤5：对完成处理的两期无人机采集点云数据，利用相关软件进行建模，在设定好采样间距、半径和公差等参数以及保存路径和文件名后，经过软件自动运算生成相应的三角网格模型，得到精确的三维数字模型。步骤5：将第一期点云数据构建的三维数字模型设置为参考面，第二期点云数据构建的三维数字模型设置为测试面，对两期模型进行对比分析，得到基于两期监测对象相同部位的点云距离差值的地表变化模型。差值小，表示监测区域地表土地高程基本无变形，差值为负值且负值越大，则表示地貌为负地形(如露天开采形成的采坑、地面塌陷坑等)。通过计算各点的高程值，形成三维立体地表变化图；步骤7：通过提前布设的人工监测点监测数据与激光雷达采集点云数据进行对比，分析评估激光雷达点云数据野外采集的精度和监测的准确度。步骤8：形成矿山开采后或期间的土地损毁变化的三维立体图。进一步，所述采集的点云数据处理包括：(1)点云数据坐标系的统一，利用轨迹解算软件InertialExplorer对IPAS原始数据进行解压，分离出激光雷达GPS数据与INS惯导数据，然后结合地面GPS基站数据进行差分处理，最后利用差分成果与INS数据联合解算，解求出具有相同坐标系的扫描轨迹数据。把解算好的轨迹数据和点云压缩文件导入到点云数据解算后处理软件ScanLookExport中，设置好参数，解压点云las数据；(2)点云数据的去噪，利用相关软件进行飞行轨迹处理，删除起飞与降落时的轨迹数据，保留无人机航线内稳定飞行的数据；通过肉眼可以判别出空中和地面以下一些明显的异常点和散乱点，在MicroStationV8i软件中利用model中的工具进行手动删除。在每个架次点云数据去噪后完成后，在手动删除噪点后，利用软件删除植被功能可以直接得到地面的点云数据；(3)数据的拼接，利用MicroStationV8i软件同时加载多个架次的点云数据，使之拼接成为完整的点云数据集，并合并为一个数据文件，同时删除两个飞行架次之间的重复数据；(4)点云数据的抽稀，在MicroStationv8i软件中对点云数据可以进行等量缩的方法来精简数据，即选择合适数量的点云数据进行输入和输出。进一步，为了充分保留地形特征点，采用基于TIN的抽稀算法，构建不规则三角网。抽稀对三角网模型影响最小的点：1)加载点云数据，构建TIN；2)在TIN中，选取点，查找以该点为顶点的所有三角形；3)求以该点为顶点的所有相邻三角形两两法向量夹角，求最大夹角max{α}；4)将max{α}与设定阈值A进行比较；5)如果max{α}小于阈值A，删除这个点，否则，保留这个点；6)继续处理不规则网中的下一个点，直到将所有数据处理完。进一步，所述机载激光雷达矿山开发土地损坏变化监测方法为：激光雷达扫描地表三维坐标为：式中，[Xf,Yf,Zf]T为机载激光雷达获取地表的三维空间坐标。[XGPS,YGPS,ZGPS]T为无人机载的激光雷达GPS的坐标。R是激光测距信息，[Xl,Yl,Zl]T是激光发射点在无人机机身坐标系中的坐标，s是激光扫描器即时扫描角度，t是扫描仪倾斜角度，[δx,δy,δz]T是传感器与天线之间的距离，M是旋转矩阵与飞机的飞行姿态相关，有IMU系统测定。计算公式为：本专利技术的另一目的在于提供一种所述无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法的无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测系统，该监测系统包括：无固定翼无人机、LIDAR系统；采用控制软件将激光雷达扫描仪、惯性导航组件及GPS定位天线构成整体协调系统，组成数据采集系统。无固定翼无人机机载激光雷达集合了无固定翼无人机、激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)四种尖端技术和设备。其主要组成部分包括：1)无固定翼无人机，是搭载激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)的载体；2)确定激光雷达信号发射参考点空间位置的动态差分的GPS接收机；3)测定扫描装置的主光轴姿态参数的惯性导航系统(RNS)；4)量测激光雷达信号从发射装置到地物激光反射点之间距离的激光测距仪；5)记录地面情况的成像装置。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：矿产资源开采一段时间后，矿山地表原有地貌(土地)的形态、高程就会发生变化(如露天开采形成一个比原来地的凹地、废本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机机载雷达的矿山开采损毁土地变化的监测方法，其特征在于，所述无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法采用无固定翼无人机机载雷达低空飞行，采集地面矿山开采后地表变化的点云数据，形成不同时间段内的矿山地表地貌高差的变化，形成矿山土地变化的三维立体图，实现矿山开采土地面积及高程变化的技术监测。

【技术特征摘要】
1.一种无人机机载雷达的矿山开采损毁土地变化的监测方法，其特征在于，所述无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法采用无固定翼无人机机载雷达低空飞行，采集地面矿山开采后地表变化的点云数据，形成不同时间段内的矿山地表地貌高差的变化，形成矿山土地变化的三维立体图，实现矿山开采土地面积及高程变化的技术监测。2.如权利要求1所述的无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法，其特征在于，所述无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法包括以下步骤：步骤1：依据监测范围大小，在测区外布设2-6处高程基准点，获取基准点的经纬度坐标和高程；在监测区内均匀布设人工监测点，通过水准测量和控制测量获取监测点的经纬度坐标和高程，用于后期校正数据精度；步骤2：机载雷达航线布设依据无人机电池电量，参考GPS基站架设位置或者人工监测点位置，合理设计航线；根据技术参数要求，各架次的旁向重叠率不低于30％；步骤3：安装调试好无人机载雷达系统后，架设GPS接收机并开机进行静态GPS数据接收，然后打开激光雷达进入数据采集状态，启动无人机，按照设计的航线进行飞行；步骤4：飞行采集地面的点云数据；步骤5：对完成处理的两期无人机采集点云数据，利用相关软件进行建模，在设定好采样间距、半径和公差等参数以及保存路径和文件名后，经过软件自动运算生成相应的三角网格模型，得到精确的三维数字模型；步骤6：将第一期点云数据构建的三维数字模型设置为参考面，第二期点云数据构建的三维数字模型设置为测试面，对两期模型进行对比分析，得到基于两期监测对象相同部位的点云距离差值的地表变化模型；差值小，表示监测区域地表土地高程基本无变形，差值为负值且负值越大，则表示地貌为负地形；通过计算各点的高程值，形成三维立体地表变化图；步骤7：通过提前布设的人工监测点监测数据与激光雷达采集点云数据进行对比，分析评估激光雷达点云数据野外采集的精度和监测的准确度；步骤8：形成矿山开采后或期间的土地损毁变化的三维立体图。3.如权利要求2所述的无人机机载雷达的矿山开采损毁土地的监测方法，其特征在于，所述采集的点云数据处理具体包括：(1)点云数据坐标系的统一，采用软件设置好坐标系参数，对完成矿区土地多个架次采集的点云数据、GPS数据和IMU数据进行同步解算，生成带有绝对坐标的点云数据；(2)点云数据的去噪，利用软件进行飞行轨迹处理，删除起飞与降落时的不稳定的轨迹数据，保留无人机航线内稳定飞行的数据；(3)数据的拼接，利用MicroStati...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐友宁，张永庭，魏采用，梁伟，张江华，杨敏，
申请(专利权)人：中国地质调查局西安地质调查中心，宁夏回族自治区遥感测绘勘查院高分辨率对地观测系统宁夏数据与应用中心，宁夏回族自治区遥感中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61