三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)在鞍山市東鞍山鐵礦環(huán)境治理中的應(yīng)用

于波

摘? ? 要： 近年來，受采礦活動影響而產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境破壞現(xiàn)象頻繁，地質(zhì)災(zāi)害貧發(fā)，礦山地質(zhì)環(huán)境治理工作受到各級政府及有關(guān)部門的高度重視。礦山斜坡上的土體或巖體不穩(wěn)，在重力或自然因素作用下滑動，造成滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，所以對地質(zhì)災(zāi)害的研究和環(huán)境治理成為當(dāng)務(wù)之急。但現(xiàn)有技術(shù)方式調(diào)查工作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)存在調(diào)查人員的人身安全問題，受工作環(huán)境影響較大。三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)對東鞍山鐵礦邊坡進(jìn)行監(jiān)測，有效的反應(yīng)出邊坡的整體移動情況，進(jìn)行無接觸的大范圍的掃描，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的變形趨勢和未來量大小。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀;自動化監(jiān)測系統(tǒng);三維模型

1? 前言

鞍山市東鞍山鐵礦前峪尾礦庫排巖場地質(zhì)環(huán)境治理項(xiàng)目區(qū)總面積為144.65畝， 項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題主要包括地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境破壞兩方面。該排巖場從1958年開始排巖運(yùn)行，形成整體近于自然穩(wěn)定的填土邊坡，但在雨季及春季冰雪融化之際，時(shí)有表層滑塌發(fā)生。據(jù)了解斜坡坡腳處經(jīng)常取料，斜坡滑塌規(guī)模逐步增大，局部處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重威脅周邊人員人身安全。采用三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)對東鞍山鐵礦邊坡進(jìn)行監(jiān)測，有效的反應(yīng)出邊坡的整體移動情況，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2? 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀通過對形變區(qū)域進(jìn)行周期性掃描，對比不同層次的三維信息進(jìn)行形變監(jiān)測。將基于三維激光掃描儀的地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測分為現(xiàn)場勘查、數(shù)據(jù)采集、成果輸出與分析比對3個(gè)主要步驟。

（1）現(xiàn)場勘查-根據(jù)監(jiān)測區(qū)域概括、要求等進(jìn)行現(xiàn)場勘查，確定采集設(shè)備及安裝位置和作業(yè)方式。

（2）數(shù)據(jù)采集-抗干擾、自動化、全天候在線采集傳輸。

（3）點(diǎn)云處理-點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、旋轉(zhuǎn)對齊、多視拼接等操作。

三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)從傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量發(fā)展到面測量，高精度，高密度，高速度獲取被監(jiān)測區(qū)域形變細(xì)節(jié)及整體形變趨勢，克服了單點(diǎn)式監(jiān)測中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)少、難以發(fā)現(xiàn)無監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域的形變情況以及監(jiān)測點(diǎn)一旦破壞將嚴(yán)重影響資料連續(xù)性等問題。

（1）區(qū)域進(jìn)行周期性掃描，對比不同層次的三維信息進(jìn)行形變監(jiān)測

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、旋轉(zhuǎn)對齊、多視拼接操作

（3）通過監(jiān)測點(diǎn)的變形信息以及特定區(qū)域的土方量的變化進(jìn)行分析，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的變形趨勢和未來量大小。

3? 自動化監(jiān)測

三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)末興起的一門新興測繪技術(shù)，它通過高速激光掃描測量的方法，高分辨率地獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以逐點(diǎn)掃描的方式，真實(shí)再現(xiàn)所測物體的三維立體景觀。

全景影像數(shù)據(jù)具有形象的紋理和顏色信息，可以作為三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的紋理補(bǔ)充。將點(diǎn)云與全景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，融合兩者信息，通過三維激光點(diǎn)云可以找到對應(yīng)影像像素，進(jìn)行點(diǎn)云著色，反之以全景影像作為展現(xiàn)載體，通過影像素坐標(biāo)可以找到對應(yīng)三維激光點(diǎn)云，進(jìn)行地物量測，使兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品擁有統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，相互空間關(guān)聯(lián)，一起可稱為影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)?；谶@種數(shù)據(jù)可以開發(fā)一種全景影像為前臺表現(xiàn)，以點(diǎn)云為后臺支撐的全新數(shù)字測圖與建模軟件，可直接利用全景影像進(jìn)行地物判讀采集、測量、建模、直接進(jìn)行三維紋理映射等，大大提高成果生產(chǎn)可視化的效果，便于判讀。

在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中，對可能產(chǎn)生滑坡、泥石流、坍塌等災(zāi)害的區(qū)域需要特別注意土方量的動態(tài)變化，對掃描所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，通過監(jiān)測點(diǎn)的變形信息以及特定區(qū)域的土方量的變化進(jìn)行分析，可預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的變形趨勢和未來量大小。與目前的傳統(tǒng)測量、攝影測量等測量方式相比，該技術(shù)有明顯的以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采樣率高。傳統(tǒng)的測繪儀器很難采集高密度、高分辨率的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。脈沖激光可以在數(shù)秒內(nèi)采集上千個(gè)點(diǎn)，相位激光掃描儀可以達(dá)到上萬點(diǎn)，突破了單點(diǎn)模式，可以獲得更多的物體空間信息。

（2）精確度高。精度不但高于攝影測量中的解析點(diǎn)而且精度分布均勻，還可以避免表面近似誤差的問題。

（3）受外界影響小。通過自身發(fā)射的激光回波信號獲取目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，白天黑夜都能夠作業(yè)操作，也不像傳統(tǒng)測量對溫度的要求較高。

（4）非接觸式測量。無需接觸目標(biāo)，也不需要反射棱鏡，可以實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。

（5）數(shù)字化采集，兼容性好。直接采集具有全數(shù)字特征的數(shù)字信號，后期的輸出、處理，保存、共享比較方便。

獲得兩期一定周期內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別計(jì)算基于同一基準(zhǔn)面的區(qū)域土方量并進(jìn)行比較，判斷是否有明顯的地質(zhì)位移。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有非常好的面表征，可直接將兩期獲取的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的三維模型進(jìn)行疊加對比分析，計(jì)算兩個(gè)模型的體積偏差大小，生成偏差色譜圖，并與給定限差比較，可視化的手段可以明確地判別出各個(gè)區(qū)域的位移方向和精確的邊界范圍，對可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行明確的定位和維護(hù)。同時(shí)對兩個(gè)時(shí)期的GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析監(jiān)測點(diǎn)的沉降狀況，對該地區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

4? 發(fā)展前景

邊坡工程穩(wěn)定性問題一直是礦山環(huán)境治理中的一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容，越來越受到研究人員的重視。監(jiān)測工作是礦山環(huán)境治理施工的重要環(huán)節(jié)，能否由監(jiān)測結(jié)果正確評價(jià)其穩(wěn)定性，直接關(guān)系到建設(shè)資金的投入和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。對于礦山邊坡的地表移動變形，目前較多的是采用電子全站儀和GPS靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行觀測。但這些觀測方法都停留在對單個(gè)特征點(diǎn)的變形移動上，不能全面地概括出整個(gè)邊坡的移動變形情況，處理后的數(shù)據(jù)往往對邊坡的穩(wěn)定性問題存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)對礦山邊坡的監(jiān)測，能有效的反應(yīng)出邊坡的整體移動情況，可以進(jìn)行無接觸的大范圍的掃描，最終通過不同觀測時(shí)期的數(shù)據(jù)建立三維模型進(jìn)行疊加對比分析，計(jì)算兩個(gè)模型的體積偏差大小，生成偏差色譜圖，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的變形趨勢和未來量大小，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

三維激光掃描自動化監(jiān)測系統(tǒng)在礦山環(huán)境治理中，能夠全面反映整個(gè)邊坡的地表移動變形，且能獲得邊坡的地形、地貌和三維模型，為邊坡工程技術(shù)人員提供詳細(xì)的邊坡資料。傳統(tǒng)的全站儀和GPS觀測方法，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力并存在作業(yè)人員的人身安全問題，同時(shí)在某些情況下還存在難以獲取令人滿意的結(jié)果。三維激光掃描可實(shí)現(xiàn)無接觸掃描，將三維激光掃描技術(shù)引入到巖土、地質(zhì)工程等其他領(lǐng)域，在某些方面有著傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢，獲取一些傳統(tǒng)方法難以獲得的結(jié)果，這種新技術(shù)的引入大大降低了調(diào)查人員的勞動強(qiáng)度，保證了作業(yè)人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，提高了工作效率，有廣闊的應(yīng)用前景。

5? 結(jié)論

隨著三維激光掃描技術(shù)理論的不斷完善與發(fā)展，其勢必在礦山環(huán)境治理領(lǐng)域內(nèi)引起新一輪的技術(shù)革新，基于三維激光掃描技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測也一定會得到廣泛的應(yīng)用。我公司將三維激光掃描儀與傳感器設(shè)備集成自動化監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)本身特有的物理和化學(xué)特征，使得掃描儀能夠自動識別目標(biāo)。這樣所采集到的數(shù)據(jù)不僅包含三維信息，同時(shí)還有目標(biāo)本身的物理和化學(xué)信息，利用軟件能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，三維模型的實(shí)時(shí)構(gòu)建與分析，從而達(dá)到智能化執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測，智能化預(yù)警的目的，對保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。

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