三維激光掃描測量在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理中的應(yīng)用

殷齊魯

（濟寧市不動產(chǎn)登記中心，山東 濟寧 272000）

由于露天礦山無序開采，帶來了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，如破壞土地資源、污染礦區(qū)環(huán)境、引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等。進行礦山地質(zhì)環(huán)境治理時，需要測量高精度的地形圖，為工作量計算、規(guī)劃設(shè)計等提供依據(jù)[1]。由于礦區(qū)的無序開發(fā)利用，地形一般比較負責，部分區(qū)域形成陡崖，難以抵達，且具有一定的危險性，測量難度極大，使用傳統(tǒng)的測量方法難以滿足要求[2,3]。隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，其在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測繪中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 三維激光掃描測量的原理

三維激光掃描測繪的實質(zhì)是激光測距技術(shù)，測量的過程中，根據(jù)預(yù)先確定的掃描范圍和設(shè)定的點云密度，使用掃描鏡和伺服馬達依次獲取測量目標表面上點的三維坐標，從而完成測量工作，具有測量精度高、速度快、無接觸、高密度的特點[4]。目前三維激光掃描測量技術(shù)受到科技研發(fā)和數(shù)據(jù)采集人員的高度評價，已經(jīng)在建筑物竣工測量、地形圖測繪、三維建模、土方量計算、道路工程測量、古建筑測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

三維激光掃描測繪實質(zhì)上是利用掃描鏡和伺服馬達不斷重復(fù)的進行數(shù)據(jù)采集的過程，從獲取掃描反射接收的激光強度對掃描點進行顏色灰度的匹配[5]。三維激光掃描儀直接采集的采樣點是局部坐標，具體見圖1。如圖1所示，掃描儀的內(nèi)部為坐標原點，X、Y軸在局部坐標系的水平面上，Y軸為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向。則P點的坐標（Xs、Ys、Zs）計算方法見下式。

圖1 三維激光掃描測量原理圖

在實際應(yīng)用中，可以將系統(tǒng)局部坐標轉(zhuǎn)換為測繪工作使用的坐標系。

本項目使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，儀器精度指標與性能見表1。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)指標

2 三維激光掃描測量流程

2.1 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測繪中，根據(jù)測區(qū)的實際情況，選擇使用基于標靶的點云數(shù)據(jù)采集方法。并選擇合適的測點和標靶，設(shè)置掃描點云采樣密度、最大測量范圍等參數(shù)。實際測量中，可以在通視條件相對較好的位置布設(shè)反射標靶，在任意位置進行露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理三維激光掃描時，同一測站必須同時掃描到三個及以上標靶[6]。掃描結(jié)束后，對標靶進行精確掃描，獲取標靶的精確幾何坐標。最后，利用SDCORS-RTK測量標靶的大地坐標，將獲取的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標系下[7]。

使用三維激光掃描測量時，需要注意檢查測量范圍不能遺漏，設(shè)置標靶時盡可能均勻分布，標靶離三維激光掃描儀的距離要適中，且需要拍攝掃描范圍的照片[8]。

2.2 三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點云配準、不同測站點云數(shù)據(jù)的拼接、點云數(shù)據(jù)的降噪和精簡、數(shù)據(jù)處理與建模、地形圖繪制等工作[9]。

首先進行點云配準，利用精掃的標靶點幾何坐標，將獲取的點云數(shù)據(jù)配準到同一坐標系中，并進行調(diào)整平差；然后進行測站拼接，利用標靶拼接功能進行點云拼接，見圖2；點云濾波主要包括點云噪點剔除、植被剔除及點云密度抽稀等；最后進行建模，得到DEM數(shù)據(jù)，見圖3，并通過繪圖得到露天礦區(qū)地形圖。

圖2 測站拼接后的點云數(shù)據(jù)

圖3 三維激光掃描獲取的DEM數(shù)據(jù)

2.3 精度檢核與分析

使用SDCORS-RTK檢核三維激光掃描露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測繪成果的精度，并進行統(tǒng)計分析，共計檢核220點，見表2。

表2 標靶平面精度統(tǒng)計表

可以看出，三維激光掃描技術(shù)可以滿足露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測繪的精度要求。

3 結(jié)論

在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測繪項目中，采用三維激光掃描技術(shù)，使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，順利獲取了工作區(qū)范圍的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點云配準、不同測站點云數(shù)據(jù)的拼接、點云數(shù)據(jù)的降噪和精簡、數(shù)據(jù)處理與建模、地形圖繪制等工作，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供了基礎(chǔ)的測繪數(shù)據(jù)，極大的方便了治理和設(shè)計工作。隨著點云數(shù)據(jù)處理自動化程度的提高，地面三維激光掃描將會得到更加廣泛的應(yīng)用。