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

黃 霞，劉 陽(yáng)

（江西省煤田地質(zhì)局測(cè)繪大隊(duì)，江西 南昌 330001）

隨著社會(huì)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展進(jìn)程的加快，“數(shù)字城市”、“數(shù)字礦山”等理念相應(yīng)而出，這就對(duì)大比例尺地形圖精度等提出了更高的要求。如何在較短的周期內(nèi)獲得精度更高的大比例尺地形圖成為建設(shè)“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，也是礦山生產(chǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的地形三維數(shù)據(jù)采集以單點(diǎn)采集方式為主，如經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸以面采集為主，如、三維激光掃描技術(shù)、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)等，提高了數(shù)據(jù)采集效率。本文以三維激光掃描技術(shù)為研究對(duì)象，分析該技術(shù)在金屬礦山大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用方法。

1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是在GPS技術(shù)上發(fā)展以來(lái)的現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)，是以三維激光掃描儀為主體的測(cè)繪技術(shù)，由數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源、附屬設(shè)備等組成。三維激光掃描技術(shù)的工作原理主要為：在三維激光掃描儀中安置了激光二極管，能夠發(fā)射周期性的激光脈沖，計(jì)算接受透鏡接收被測(cè)目標(biāo)物反射回來(lái)的信號(hào)所需的時(shí)間差，進(jìn)而換算成距離，同時(shí)記錄掃描儀鏡頭在垂直方向和水平方向的角度值，就可根據(jù)三者之間的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。三維激光掃描技術(shù)就是對(duì)測(cè)繪區(qū)域開(kāi)展全方位的掃描工作，對(duì)獲得的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，就可獲得測(cè)繪區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理就可以獲得測(cè)繪區(qū)域的三維空間坐標(biāo)，進(jìn)而生成測(cè)繪區(qū)域的大比例尺地形圖。三維激光掃描技術(shù)的工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用流程示意圖

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作是三維激光掃描技術(shù)制作地形圖的基礎(chǔ)，因此，如何獲得精度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。三維激光掃描儀的掃描精度隨著掃描距離的增加而逐漸降低，因此，在執(zhí)行掃描任務(wù)時(shí)需要根據(jù)掃描儀型號(hào)、最終比例尺大小等參數(shù)設(shè)計(jì)掃描最大距離，以確保每次掃描精度能夠滿足制圖基本需求[2]。本文所使用的三維激光掃描型號(hào)為HDS ScanStation C10，最大掃描距離為300m。為了提高金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪精度，在開(kāi)展外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，對(duì)礦山測(cè)繪區(qū)域的地形地貌進(jìn)行踏勘，根據(jù)不同區(qū)域地形地貌等的差異性將測(cè)繪區(qū)域分解成若干區(qū)塊，再確定掃描儀和標(biāo)靶的位置，盡可能的避免測(cè)繪盲區(qū)的出現(xiàn)，盡量減少測(cè)量基站的站數(shù)。在每個(gè)基站完成掃描任務(wù)后要及時(shí)的檢查掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量是否滿足相應(yīng)比例尺地形圖的基本精度要求，若所獲掃描數(shù)據(jù)精度不能達(dá)標(biāo)，則需及時(shí)開(kāi)展重測(cè)工作，即在整個(gè)掃描過(guò)程中確保每次掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量均滿足精度要求。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

上文已指出，本次所選用的三維激光掃描儀的最大掃描距離為300m，因此，在完成礦山地形圖測(cè)繪過(guò)程中需要多個(gè)測(cè)站的轉(zhuǎn)移才能完成，加之礦山地形地貌、植被遮擋等綜合因素的限制，測(cè)站的轉(zhuǎn)換是必須進(jìn)行的，這就導(dǎo)致所獲的最終掃描數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）的坐標(biāo)均為掃描儀內(nèi)部的自定義坐標(biāo)。在制作礦區(qū)大比例尺地形圖過(guò)程中必須要統(tǒng)一坐標(biāo)，因此，需將各個(gè)站點(diǎn)的獨(dú)立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下。為了提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中精度，首先將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至測(cè)繪區(qū)域的某一局部的坐標(biāo)系統(tǒng)下，一般利用相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的3個(gè)或以上的同名控制標(biāo)靶，也就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是生產(chǎn)地形圖的前提，其配準(zhǔn)方式包括兩種類型：一是相對(duì)配準(zhǔn)方式，該方式是以某一測(cè)站的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，將其他測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)同一至該坐標(biāo)系統(tǒng)下，該種配準(zhǔn)方式要求不同測(cè)站之間至少3個(gè)以上的同名標(biāo)靶才能完成數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，隨著數(shù)據(jù)量的增加，點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差增大；二是絕對(duì)配準(zhǔn)方式，是三維激光掃描技術(shù)與其他常規(guī)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的配準(zhǔn)方式，即使用常規(guī)測(cè)量方法獲得每個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)，將每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)，再將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)同一至同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，轉(zhuǎn)換精度較高。

2.3 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術(shù)在獲取測(cè)繪區(qū)域地形信息是，根據(jù)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因此，所獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是包含了測(cè)繪區(qū)域所有的地表信息，這就意味著點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含了真實(shí)的地形信息，還包含了植被、電線桿、房屋等信息，并含有大量的噪聲信息。因此，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中首先要對(duì)非地形信息進(jìn)行剔除處理，一般可采用Cyclone軟件進(jìn)行非地形信息處理[3]。在完成非地形信息處理后，在制圖軟件中按照需要比例尺要求設(shè)定等高距，生成等高線，對(duì)等高線局部缺失、不光滑等問(wèn)題進(jìn)行逐一處理，處理過(guò)程中以掃描照片為基礎(chǔ)進(jìn)行，完成后標(biāo)注高程注記點(diǎn)等信息，整飾生成最終的大比例尺地形圖。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的其他測(cè)繪技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)避免了單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)信息的弊端，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得測(cè)繪區(qū)域面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，顯著的提高了測(cè)量效率。三維激光掃描技術(shù)雖然提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，但是將難點(diǎn)轉(zhuǎn)移至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理上。因此，如何更加有效的進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾、去噪處理等一直是探索的熱點(diǎn)。因此，三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪領(lǐng)域中還需加強(qiáng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的研究工作，為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。