基于無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)的地質(zhì)環(huán)境綜合整治應(yīng)用研究

趙新華 曹繼如

摘要：激光掃描技術(shù)是一門(mén)新興的測(cè)繪技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)指的是通過(guò)目標(biāo)物體表面三維坐標(biāo)的獲取進(jìn)行完整、高精度的目標(biāo)物體原貌重建，通過(guò)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的快速獲取實(shí)現(xiàn)直接的實(shí)物逆向三維數(shù)據(jù)采集的模型重構(gòu)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；應(yīng)用研究

1 應(yīng)用背景

礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展曾做出過(guò)重大貢獻(xiàn)，但在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)，因資源枯竭和政策性調(diào)整等原因，也形成了一定數(shù)量的廢棄礦井，這些廢棄礦井已對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成不同程度的破壞，對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚?cái)產(chǎn)安全造成了較大的威脅。為了做好廢棄礦井治理工作，切實(shí)保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，2008年7月，國(guó)土資源部、發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)廢棄礦井治理工作的通知》（國(guó)土資發(fā)[2008]154號(hào)），要求各?。▍^(qū)、市）開(kāi)展廢棄礦井調(diào)查、編制廢棄礦井治理方案，做好廢棄礦井監(jiān)管工作。

長(zhǎng)期的開(kāi)采和廢棄，造成了廢棄礦井情況數(shù)量多，分布廣，對(duì)禹州市生態(tài)環(huán)境的影響很大，為了系統(tǒng)地深入研究地質(zhì)環(huán)境綜合整治信息模型，用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)、用三維激光掃描技術(shù)對(duì)廢棄礦井開(kāi)展數(shù)字三維信息模型的建立，開(kāi)發(fā)綜合整治三維可視化技術(shù)系統(tǒng)，對(duì)礦山修復(fù)與土地整理進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。

目前，三維地形可視化技術(shù)在土地規(guī)劃領(lǐng)域普遍運(yùn)用，但大部分側(cè)重于單純的三維地形顯示及三維地形表面分析等，而對(duì)于規(guī)劃成果基于三維地形環(huán)境下的規(guī)劃圖與動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)圖表綜合成果的表達(dá)還鮮有研究。本文以土地整治規(guī)劃成果表達(dá)的方式為例，充分利用三維地理信息軟件平臺(tái)，通過(guò)三維建模技術(shù)及地理信息的可視化表示功能，研究基于地形圖、遙感影像及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一體化的三維可視化地圖表達(dá)方式，為規(guī)劃成果匯報(bào)與展示提供有效的技術(shù)支持。本項(xiàng)目基于三維地理信息平臺(tái)構(gòu)建地形三維可視化模型，然后導(dǎo)出二維圖，疊加到矢量圖層上，再基于圖斑屬性生成屬性表格，并動(dòng)態(tài)標(biāo)注在相應(yīng)的圖斑上。從而實(shí)現(xiàn)三維地形環(huán)境與動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)圖表的綜合成果表達(dá)。本項(xiàng)目基于三維設(shè)計(jì)軟件所建立的多維可視化模型，非常適合地質(zhì)環(huán)境的表達(dá)與展示，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的二維和三維可視化的局限性。

因此，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)、三維激光技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建“地質(zhì)環(huán)境綜合整治三維設(shè)計(jì)與可視化監(jiān)管信息平臺(tái)”（后簡(jiǎn)稱(chēng)為“監(jiān)管信息平臺(tái)”）勢(shì)在必行。項(xiàng)目將利用正射影像、dem構(gòu)建三維信息平臺(tái)，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)狀固定，將三維地質(zhì)模型、三維規(guī)劃模型集成到三維信息平臺(tái)，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)管，促進(jìn)并輔助的地質(zhì)生態(tài)修復(fù)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究，例如三維數(shù)字礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GIS技術(shù)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的管控一體化系統(tǒng)，它綜合考慮生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，達(dá)到提高其整體效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)能力的目的。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1、利用三維激光掃描技術(shù)快速建立廢棄礦井的三維信息模型體系。

激光掃描技術(shù)由于具有獲取信息量大、精度高、全數(shù)字化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，獲得了迅速發(fā)展，在基礎(chǔ)測(cè)繪、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描儀已經(jīng)成為測(cè)繪儀器發(fā)展的重要方向。拓展三維激光掃描儀的應(yīng)用范圍，采用三維激光掃描儀提高現(xiàn)有測(cè)量手段的能力和精度成為測(cè)量領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。利用三維激光掃描技術(shù)通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速提取，快速建立廢棄礦井的三維信息模型。

2、利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)廢棄礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和三維可視化全過(guò)程監(jiān)管。

基于三維可視化信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)期影像的不同對(duì)比分析和監(jiān)管。

全面的矢量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成。

3、利用三維規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)廢棄礦井綜合整治后的效果可視化和信息化管理。

實(shí)現(xiàn)二維平面圖向三維空間的快速轉(zhuǎn)化。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)和自動(dòng)更新，極大提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成廢棄礦井綜合整治各個(gè)環(huán)節(jié)的全部工作。

實(shí)現(xiàn)三維地形曲面設(shè)計(jì)：自然等高線的定義和編輯功能、自動(dòng)識(shí)別和轉(zhuǎn)換圖上的標(biāo)高文本數(shù)據(jù)、多種曲面生成方式，如特征線、等高線、DEM、點(diǎn)文件、離散點(diǎn)、塊等圖形對(duì)象、以快速繪制任意地形斷面圖、地形曲面的三維分析功能，包括高程分析、等高線分析、坡度分析、隨時(shí)查看地形曲面的三維效果、用戶可以直接對(duì)設(shè)計(jì)曲面和自然曲面進(jìn)行編輯、可以對(duì)高程有問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隔離，以免干擾后續(xù)處理、曲面高程和坡度的自動(dòng)標(biāo)注、曲面模型和地形數(shù)據(jù)以及標(biāo)注信息的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、自動(dòng)更新、用戶可以自定義曲面的二維和三維顯示樣式。

4、歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回放及統(tǒng)計(jì)，但平臺(tái)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回放及統(tǒng)計(jì)的展現(xiàn)方式為動(dòng)態(tài)的，是根據(jù)時(shí)間軸來(lái)反映數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)分析。

土方量計(jì)算的歷史統(tǒng)計(jì)分析和遙感影像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計(jì)分析等。

4 實(shí)施內(nèi)容

4.1基礎(chǔ)三維地理信息平臺(tái)的開(kāi)發(fā)：

3D地形可視化功能，同時(shí)還能夠在三維場(chǎng)景上創(chuàng)建和編輯二維文本、圖片、矢量數(shù)據(jù)和三維建筑模型，從標(biāo)準(zhǔn)GIS文件和空間數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取各種地形疊加所需要的信息，如文本、標(biāo)注、圖素、2D和3D實(shí)體，甚至動(dòng)畫(huà)。有效整合多種數(shù)據(jù)類(lèi)型，創(chuàng)建三維交互式應(yīng)用系統(tǒng)。

通過(guò)疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量3D地形數(shù)據(jù)庫(kù)。支持多種數(shù)據(jù)格式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同分辨率、不同大小數(shù)據(jù)的融合、投影變換、以及數(shù)據(jù)剪裁，從而制作任意分辨率真實(shí)質(zhì)感三維場(chǎng)景，構(gòu)建最終的海量地形數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2廢棄礦井三維激光掃描數(shù)據(jù)獲?。?/p>

利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)快速點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取技術(shù)，自動(dòng)建立三維信息模型，并直接入庫(kù)到三維平臺(tái)。

4.3各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)集成建設(shè)

收集各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括廢棄礦信息、地圖、影像、地名、土地利用、土地規(guī)劃等信息，集成到三維信息平臺(tái)上。

4.4廢棄礦井綜合整治三維設(shè)計(jì)與可視化監(jiān)管信息平臺(tái)建設(shè)。

建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GIS技術(shù)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的三維可視化監(jiān)管一體化系統(tǒng)，它綜合考慮規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)督、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在三維平臺(tái)上構(gòu)建虛擬廢棄礦井的三維信息和設(shè)計(jì)規(guī)劃情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的集成和管理，通過(guò)對(duì)各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、更新、維護(hù)和展示，為建設(shè)禹州市生態(tài)環(huán)境和土地綜合利用提供強(qiáng)有力的信息支撐和保障。

5 研究意義

5.1 監(jiān)管信息平臺(tái)建設(shè)是綜合監(jiān)管全市廢棄礦井信息的重要工具

禹州市礦產(chǎn)資源豐富，分布面積廣，監(jiān)管信息平臺(tái)真實(shí)、及時(shí)、全面的反映禹州市各類(lèi)廢棄礦井及礦山的分布及詳細(xì)信息，是從科學(xué)的角度分析、研究和展示廢棄礦井信息，包括地面信息及地下巷道信息，是綜合監(jiān)管全市廢棄礦井信息的重要工具。

參考文獻(xiàn)

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