三維激光掃描技術(shù)在金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

樂(lè)美玉

（武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，信息化觀念和信息化技術(shù)逐漸滲透到各行各業(yè)。借助相應(yīng)的數(shù)字技術(shù)，技術(shù)人員完全可以金屬礦山大比例尺地形圖的精確繪制，打造“數(shù)字礦山”。但是，真正將“數(shù)字礦山”理念變成現(xiàn)實(shí)，就必須要在大比例執(zhí)行圖的精確度上做文章。畢竟，“數(shù)字礦山”的打造必須遵循高效性、精確性原則，否則其對(duì)礦山生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展將毫無(wú)意義。所以，相關(guān)人員必須理清三維激光掃描技術(shù)在金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用原理，在應(yīng)用方法上對(duì)其進(jìn)行不斷創(chuàng)新，提升“數(shù)字礦山”的開(kāi)發(fā)建設(shè)效率。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

在傳統(tǒng)的金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪工作中，測(cè)繪人員一般會(huì)選擇借助單點(diǎn)采集去收集地形的相關(guān)相應(yīng)數(shù)據(jù)。所以說(shuō)，經(jīng)緯儀、全站儀以及GPS等是開(kāi)展傳統(tǒng)金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪工作的主要技術(shù)依托。而現(xiàn)階段所提倡的三維激光掃描技術(shù)可以看作是對(duì)GPS技術(shù)的延伸拓展，是基于GPS技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)，與無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)等同為面上采集三維坐標(biāo)的代表。具體來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)主要通過(guò)三維激光掃描儀來(lái)完成，三維激光掃描儀是開(kāi)展金屬礦山大比例地形圖繪制的主要依托，分別由數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、附屬設(shè)備以及基礎(chǔ)的電源設(shè)施等組件構(gòu)成。其應(yīng)用原理具體如下：在常規(guī)的三維激光掃描儀中一般會(huì)安置有激光二極管，由此三維激光掃描儀可以發(fā)射周期性的激光脈沖。這時(shí)，測(cè)繪人員就要記錄下每次接受通信接收被測(cè)目標(biāo)物反射回來(lái)的信號(hào)時(shí)間，精確計(jì)算時(shí)間差，并按照相應(yīng)計(jì)算公式將其換算為距離。與此同時(shí)，測(cè)繪人員還要著重注意掃描儀鏡頭在水平方向和垂直方向的角度值，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)記錄。當(dāng)距離、垂直方向和水平方向的角度值等數(shù)據(jù)都已得出，那么工作人員就可以借助他們之間的三角函數(shù)關(guān)系進(jìn)行三維空間坐標(biāo)計(jì)算，從而精確定位到被測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在繪制金屬礦山大比例地形圖的工作過(guò)程中，要通過(guò)三維機(jī)構(gòu)掃描技術(shù)對(duì)金屬礦山進(jìn)行全覆蓋式的大范圍掃描，得出計(jì)算所需各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并由測(cè)繪人員將一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)整理，金屬礦山測(cè)繪區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)就已經(jīng)被獲取。最后，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理就可以開(kāi)始著手金屬礦山的大比例地形圖的繪制工作，生成金屬礦山的大比例地形圖。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)的一系列工作流程就是數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、非地形數(shù)據(jù)剔除、地物邊界信息提取和生產(chǎn)等高線以及最終的地圖繪制。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用流程介紹

2.1 數(shù)據(jù)采集

在繪制金屬礦山的大比例尺地形圖過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集是三維激光掃描技術(shù)使用的最基礎(chǔ)前提。所以，定向測(cè)繪人員必須對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作予以最大程度的重視。在這種情況下，測(cè)繪人員必須把精力集中在解決獲得精準(zhǔn)度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)這一現(xiàn)行問(wèn)題上。比如說(shuō)，三維激光掃描儀的掃描精確度是與掃描距離成反比的，掃描距離越遠(yuǎn)，三維激光掃描儀所獲知的數(shù)據(jù)精確度就越低。所以，在繪制大比例地形圖的過(guò)程中，測(cè)繪人員要首先對(duì)測(cè)繪距離進(jìn)行充分預(yù)估，并在此前提基礎(chǔ)上最終確定掃描儀的型號(hào)以及設(shè)置合適大小的比例尺，一定要竭力確保金屬礦山地形圖繪制的精確性符合金屬礦山勘測(cè)要求，使金屬礦山的大比例地形圖能在實(shí)際工作中發(fā)揮最大效用。

除此以外，測(cè)繪人員可以從業(yè)外數(shù)據(jù)采集工作著手，提高金屬礦山大比例尺地形圖繪制精度。比如說(shuō)，測(cè)繪人員可以在正式開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作之前實(shí)地勘測(cè)礦山區(qū)域的地形地貌，并根據(jù)地形地貌的差異有依據(jù)的對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行模塊劃分，合理布置掃描儀以及標(biāo)靶的位置，最好確保在正式開(kāi)展社會(huì)工作的過(guò)程中不出現(xiàn)測(cè)繪盲區(qū)。而且，如果地形條件允許，勘測(cè)人員應(yīng)盡可能地少布置幾個(gè)測(cè)量基站。在每一個(gè)測(cè)量機(jī)站都完成三維激光掃描任務(wù)之后，相關(guān)人員要對(duì)掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)把關(guān)，一定要以大比例尺地形圖測(cè)繪工作的最高標(biāo)準(zhǔn)來(lái)嚴(yán)格要求數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，避免后期地圖繪制工作出現(xiàn)誤差。所以，倘若測(cè)量基站所呈現(xiàn)的掃描數(shù)據(jù)存在問(wèn)題，或者說(shuō)精度上與大比例尺地形圖測(cè)繪的要求有所出入，那么相關(guān)人員必須不厭其煩地重新開(kāi)展測(cè)繪工作，從根源上保障每一次測(cè)繪數(shù)據(jù)都高質(zhì)量、高精度，提高數(shù)據(jù)采集乃至地形圖繪制工作的效率。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在上文中已經(jīng)明確指出，相關(guān)人員要根據(jù)測(cè)量距離來(lái)選擇適當(dāng)掃描距離的三維激光掃描儀，以確保其能夠滿足礦山地形圖測(cè)繪的數(shù)據(jù)精確度要求。其實(shí)，在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中，一項(xiàng)礦山地形圖的測(cè)繪工作往往要涉及到多個(gè)測(cè)量基站的轉(zhuǎn)移，工作較為復(fù)雜。而且，絕大多數(shù)礦山地區(qū)的地形地貌都不是一馬平川，茂盛的植被覆蓋導(dǎo)致礦山地形圖測(cè)繪過(guò)程中存在諸多不可控的限制性因素，在這種環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)量基站的轉(zhuǎn)換，就意味著相關(guān)人員最終所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)都是由三維激光掃描儀內(nèi)部自定義的坐標(biāo)。但是，繪制金屬礦山大比例地形圖又對(duì)坐標(biāo)具有嚴(yán)格要求，明令規(guī)定必須統(tǒng)一坐標(biāo)，那么，相關(guān)工作人員必須逐一將各個(gè)測(cè)量基站的獨(dú)立電源數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的坐標(biāo)表現(xiàn)形式。所以說(shuō)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況建立特定的、統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)?；蛘哒f(shuō)，為了確保每一個(gè)三維坐標(biāo)在轉(zhuǎn)化過(guò)程中都能始終維持精確度，相關(guān)技術(shù)人員可以先建立一個(gè)小的、局部性的區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)，將所有測(cè)量基站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化到這個(gè)局部性的區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)中，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，一般情況下，人員會(huì)默認(rèn)利用相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的3個(gè)或以上的同名控制標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，提高傳輸?shù)淖鴺?biāo)信息的精確性。在使用三維激光技術(shù)繪制金屬礦山大比例尺地形圖的過(guò)程中，借助三維激光掃描儀獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是除卻數(shù)據(jù)采集之外的最核心前提，直接決定著金屬礦山大比例尺地形圖能否成功繪制，因此，技術(shù)人員應(yīng)該堅(jiān)持兩種標(biāo)準(zhǔn)的配準(zhǔn)方式，也即相對(duì)配準(zhǔn)方式和絕對(duì)配準(zhǔn)方式。具體來(lái)說(shuō)，前者主要是把某一個(gè)測(cè)量基站的坐標(biāo)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，把除這個(gè)測(cè)量基站以外的其他測(cè)量基站所獲取的點(diǎn)云坐標(biāo)都放到這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)中。相對(duì)配準(zhǔn)方式能夠?qū)崿F(xiàn)的前提標(biāo)準(zhǔn)是不同的測(cè)量基站之間必須有三個(gè)及以上同名標(biāo)靶，而且，數(shù)據(jù)量的增加會(huì)逐漸對(duì)數(shù)據(jù)陪準(zhǔn)的精確度帶來(lái)負(fù)面影響，云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差會(huì)逐漸累積，逐漸不能符合大比例尺地形圖繪制的標(biāo)準(zhǔn)。后者則是對(duì)三維激光掃描技術(shù)與其他常規(guī)測(cè)量技術(shù)充分整合后而形成的一種配準(zhǔn)方式。具體來(lái)說(shuō)，也就是用常規(guī)的測(cè)量方法去測(cè)量每一個(gè)測(cè)量基站的三維坐標(biāo)，并將測(cè)量到的這些基站的三維坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)化為絕對(duì)坐標(biāo)，最后再利用三維激光掃描技術(shù)將上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到某一個(gè)固定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，在實(shí)際應(yīng)用中，這種點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式相對(duì)來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確高效。

2.3 大比例尺地形圖繪制

在使用三維激光掃描技術(shù)為金屬礦山繪制大比例尺地形圖時(shí)，也即借助三維激光技術(shù)勘測(cè)區(qū)域地形信息時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員一般會(huì)把激光脈沖信號(hào)作為獲取測(cè)量基點(diǎn)位置坐標(biāo)信息的主要依據(jù)，并對(duì)被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行精確計(jì)算所以說(shuō)，相關(guān)技術(shù)人員在劃定的勘察區(qū)域范圍內(nèi)所獲知的所有地表信息都被囊括在點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)。當(dāng)然，從某種程度來(lái)說(shuō)，這也就代表著點(diǎn)云數(shù)據(jù)體現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息不僅僅局限于被勘測(cè)區(qū)域的真實(shí)地形地貌信息，勘測(cè)人員甚至可以借助三維激光掃描技術(shù)將礦山所在區(qū)域的植被、電線桿、房屋等信息一覽無(wú)余，甚至，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中還可能會(huì)蘊(yùn)含一部分的噪聲信息。因此，操作人員務(wù)必要注意對(duì)包括噪聲信息、植被信息等在內(nèi)的與地形信息無(wú)本質(zhì)聯(lián)系的信息全部剔除，保障數(shù)據(jù)不會(huì)受到不相關(guān)因素的干擾，具體情況下相關(guān)人員可以借助一些必要的軟件技術(shù)等輔助剔除信息。而且，在充分處理好非地形信息之后，相關(guān)人員還要根據(jù)所要制作的金屬礦山地圖的比例尺來(lái)設(shè)置符合要求的等高距，生成等高線。在此過(guò)程中，等高線局部缺失、不光滑等問(wèn)題都是常見(jiàn)現(xiàn)象，相關(guān)人員必須耐心細(xì)致地對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)處理。最后，地圖繪制人員必須對(duì)掃描圖片的細(xì)節(jié)部分作出適當(dāng)調(diào)整，將一些基礎(chǔ)性的信息詳細(xì)標(biāo)注在掃描的圖片上，最后由系統(tǒng)生成高精確度的大比例尺地圖。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)于金屬礦產(chǎn)資源的需求有增無(wú)減，利用傳統(tǒng)的、常規(guī)的地圖測(cè)繪技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪工作，由此，三維激光掃描技術(shù)勢(shì)必會(huì)走進(jìn)大眾視野。因此，相關(guān)人員必須借助三維激光掃描技術(shù)迅速終結(jié)單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)信息的弊端，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析處理方面作出創(chuàng)新調(diào)整，提高數(shù)據(jù)掃描與處理能力，探索這一技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪領(lǐng)域中的完善與推廣路徑。