探析地面三維激光掃描系統(tǒng)在礦山地形測量的應用

束立勇

（鹽城市海域使用動態(tài)監(jiān)管中心，江蘇 鹽城 224002）

伴隨資源不斷有效開發(fā)和利用，礦山這項資源正越來越少?？茖W合理的管理和集約化利用現(xiàn)已成為當前礦山實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的關鍵工作。建立數(shù)字礦山在很早就成為信息化管理工作重要措施，也是不斷推動發(fā)展的重要支撐。三維激光掃描的測量方式以非接觸式為主，采用高速激光進行，在環(huán)境和條件復雜的現(xiàn)場及空間對目標實施快速掃描與測量，以此獲取目標接收激光的具體方向、斜距與天頂距，并確定激光的反射強度，對所得數(shù)據(jù)進行自動存儲，同時根據(jù)要求進行計算，最終得到符合要求的點云數(shù)據(jù)。利用計算機對點云數(shù)據(jù)進行分析處理后，可以很快的速度完成三維模型的構建，并提高靈活性，為測量的實施提供方便。

1 概述

礦山地形條件大多十分復雜，利用傳統(tǒng)測量方式，如GPS與全站儀，很難實現(xiàn)高精度要求，而且測繪效率差，費時費力。近幾年快速興起和發(fā)展的采用三維激光掃描進行地形測量的新技術，能為實際的礦山地形測量工作提供有效解決手段。然而，對采用這項技術得到的數(shù)據(jù)，怎樣才能快速完成分析處理，并根據(jù)分析處理結果進行地形圖繪制，是現(xiàn)在必須重視和解決的關鍵問題。對此，在充分考慮相關測量經(jīng)驗的基礎上，圍繞礦山地形測量工作主要特點及難點，需要分析并提出一套合理可行的基于激光掃描的流程及方法，同時這一工作流程需要包含野外測量、數(shù)據(jù)分析和處理以及快速成圖三個基本內容。其中，在野外測量過程中，應考慮將GPS與三維激光測量兩者進行充分結合；在數(shù)據(jù)的分析處理過程中，應重視坐標轉換與拼接以及非地面點自動過濾，以便生成需要的等高線或是DEM；而在快速成圖過程中，要滿足多個比例尺成圖要求，并盡可能加快成圖的速度。根據(jù)上述基本流程和方法，需要用到合適的軟件編程語言，如IDL等，據(jù)此編制適應礦山地形測量工作的軟件。這一軟件的合理應用，既能對非地面點實施自動過濾，還能實現(xiàn)快速成圖，為成圖提供可靠的參考依據(jù)。

2 三維激光地形測量

（1）基本原理。三維激光地形測量由于能獲取大量的坐標數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的準確度高、數(shù)據(jù)掃描快，在近幾年得到了十分廣泛的應用，在很多行業(yè)都會用到。對于三維激光掃描，其掃描系統(tǒng)主要由激光測距裝置與反射棱鏡兩部分組成。其中，激光測距裝置能主動發(fā)出激光，同時對從目標上反射產(chǎn)生的信號予以接收，以此完成測距。對任何掃描點都能測出斜距，通過水平與垂直兩個方向上的掃描，還能得出測站和掃描點位之間的坐標差，如果測站三維坐標為已知值，則可直接獲得掃描點對應的三維坐標。這一掃描裝置的最大掃描距離可以達到1km左右，在最遠距離條件下，測量精度在±10mm左右，總測量精度在±5mm左右，在水平方向上，可實現(xiàn)全角度掃描，而垂直方向的掃描范圍只有0°～80°[1]。

（2）坐標轉換及拼接。通過三維激光測量得到的相關數(shù)據(jù)是與儀器自身數(shù)據(jù)相對而言的。根據(jù)實測數(shù)據(jù)測繪地形圖時，應對數(shù)據(jù)進行轉換。而借助GPS與掃描裝置能完成對坐標的多種轉換。測量的基本原理為：借助GPS獲取各類空間坐標，并利用掃描裝置獲取相對坐標，利用公共坐標對坐標進行轉換處理。這一方法在地形測量工作中十分適用，能明顯加快測量的速度，同時提高拼接精度。

（3）快速過濾。得到激光點云后，怎樣以較快的速度獲取所有地面點數(shù)據(jù)，是地形測量及計算工作的重難點。為有效解決這一實際問題，可采用快速過濾方法。首先，對激光點云進行分塊，同時在確定空間索引關系以后，對所有非地面點實施自動過濾。對于濾波，應充分考慮存點在所在網(wǎng)格，同時對其予以準確計算，通過計算得到的結果通過索引進行動態(tài)存儲，為后續(xù)迭代計算提供準確的基礎數(shù)據(jù)[2]。

3 基本流程和軟件開發(fā)

（1）基本流程。采用激光掃描進行礦山地形綜合測量時，主要完成以下三個步驟：第一步為野外測量；第二步為資料整理和分析；第三步為快速成圖。其中，對于野外測量，主要包含下列內容：激光掃描操作、設置反射片、利用GPS技術進行測量；對于資料整理和分析，主要包含下列內容：坐標相互轉換、非地面點的自動過濾、DEM建立；對于快速成圖，主要包含高線與地物等的快速成圖。

（2）軟件開發(fā)。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理與快速成圖目標，可利用IDL等工具編制以海量數(shù)據(jù)為基礎的對礦山地形進行快速處理的專門軟件，即LIDARVIEW。其中，IDL是直接面向于矩陣，具有語法簡單等特征的可視化編程語言，能在所有領域中使用，實現(xiàn)包含數(shù)據(jù)讀取和計算、三維建模等在內的功能。由于這一編程語言直接面向于矩陣，所以能對大量數(shù)據(jù)進行快速分析和處理，這一點在三維掃描測量領域是十分重要的。該軟件系統(tǒng)主要包含以下幾個模塊：①激光點云處理；②地表；③繪制，包括等高線及地物；④制圖輸出。其中，模塊①能對點云進行刪除、合成、過濾及抽?。荒K②可生成與地表有關的DEM數(shù)據(jù)與等高線；模塊③具備對等高線和所有地物進行快速測繪的重要功能；模塊④則對每一種比例尺的地形圖進行輸出。除此之外，在復雜計算過程中，這一軟件還能提供額外的計算模塊，保證計算效率和準確性。

4 某礦山地形測量對三維激光掃描的實際應用

（1）野外資料獲取。該礦山的總面積在8000m2左右，礦坑的總面積在6000m2左右，屬人為采石場，具有面積較大、地形相對復雜和植被很少等特點。對此，經(jīng)研究決定采用LMS-420I型三維激光掃描裝置與GPS裝置對礦山實施激光測量。為保證測量工作順利完成，安排2人負責野外工作，工作持續(xù)2d，總掃描面積應與礦山總面積相同。在野外測量中，共掃描19個站，得出精度不低于±5cm的共30余萬個坐標。單站測量過程中，設置五個觀測反射片，同時利用GPS得到中心點對應的大地坐標。

（2）數(shù)據(jù)分析整理和地形圖的測繪。向上述提到的LIDARVIEW中輸入通過三維掃描得到的所有激光點云數(shù)據(jù)，然后利用這一軟件先后進行坐標轉換及多站拼接，對非地面點進行自動過濾后，得到相應的地表數(shù)據(jù)，生成礦山等高線圖及DEM。在室內對數(shù)據(jù)進行處理時，需要消耗1h左右的時間。

5 結語

綜上所述，提出一套借助激光掃描對礦山范圍內復雜的地形條件進行測量的基本流程和方法，并提出非地面點的過濾技術、DEM數(shù)據(jù)擬合與等高線的擬合方法。針對數(shù)據(jù)分析處理這一重難點，設計出以激光掃描數(shù)據(jù)為基礎的專門軟件，即LIDARVIEW，同時充分利用這一軟件結合所有激光點云數(shù)據(jù)繪制地形圖等想要的成果。