三維激光掃描技術(shù)在礦山大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

王昌銳

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局三總隊，貴州 遵義 563000）

礦山大比例尺地形圖測量工作是地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、各類探礦工程（鉆孔、平硐、槽探）等布設(shè)的基礎(chǔ)性圖件，也是深部采礦工程設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，如何準(zhǔn)確、快速地獲取礦山大比例尺地形圖是影響資源勘查進(jìn)度和找準(zhǔn)開采工作面的基礎(chǔ)[1]。三維激光掃描技術(shù)是以高精度的逆向三維建模以及重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，對測繪區(qū)域進(jìn)行“實景復(fù)制”的現(xiàn)代化新型測繪技術(shù)。該技術(shù)立足于三維掃描儀獲取測繪區(qū)域的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)軟件處理平臺實現(xiàn)實體“復(fù)制”或者實景的三維立體信息，進(jìn)而可以通過地形圖生成以及編輯功能獲得具有三維坐標(biāo)信息的地形圖，為建設(shè)三維立體地形圖、三維礦山等奠定了基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)的三維地形數(shù)據(jù)采集以單點(diǎn)的采集模式為主，獲得的三維地形圖是以離散的點(diǎn)為基礎(chǔ)的，常見的測繪儀器有GPS、全站儀、經(jīng)緯儀等，單點(diǎn)采集具有測繪工作量龐大、外業(yè)采點(diǎn)周期長等弊端，容易出現(xiàn)人為誤差等[3-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了以面采集三維坐標(biāo)信息的技術(shù)，如無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)、無人機(jī)遙感測繪技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)等，能夠在較短的時間內(nèi)獲取大面積的三維立體信息，產(chǎn)品成果精度高，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是以三維激光掃描儀為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化測繪新技術(shù)，在各行測繪領(lǐng)域都取得了顯著的應(yīng)用效果[1-5]。三維技術(shù)掃描儀由電源、內(nèi)置現(xiàn)代化數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件以及附屬設(shè)備等組成，該技術(shù)的工作原理：三維激光掃描儀中設(shè)置的激光二極管發(fā)射周期性的激光脈沖信號，脈沖信號直射至測繪區(qū)域某目標(biāo)表面并形成反射信號，進(jìn)而被接收透鏡接收目標(biāo)表面的反射信號后生成一一對應(yīng)的接收信號。在脈沖信號發(fā)射至反射信號接收的一段時間差內(nèi)，若掃描儀距離目標(biāo)表面的距離為S，三維激光掃描儀垂向方向和水平方向的觀測角度值標(biāo)記為θ和φ，那么目標(biāo)物P的三維坐標(biāo)為P（x，y，z），計算公式如下：

通過上述三維空間坐標(biāo)計算公式就可以獲得測繪區(qū)域任意一點(diǎn)P的三維坐標(biāo)信息，因此，利用上述原理制作的三維激光掃描儀對測繪區(qū)域進(jìn)行全方位的掃描，即可獲得測繪區(qū)域?qū)?yīng)的一系列的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)處理、分析，獲得測繪區(qū)域的三維坐標(biāo)信息，結(jié)合制圖軟件自動生成測繪區(qū)域相應(yīng)比例尺的地形圖。三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形測繪中的應(yīng)用流程示意圖如圖1所示。

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

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 準(zhǔn)備工作

在開展三維激光掃描測量工作之前需要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作，包括測繪區(qū)域地形地貌的野外踏勘工作、設(shè)計編寫、操作規(guī)范研讀等。三維激光掃描儀在全方位掃描過程中，精度隨著掃描距離的增加而逐漸減弱，即超過一定的掃描距離后所獲的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度無法滿足相應(yīng)大比例尺地形圖測量精度要求[6]。因此，在開展工作之前需要對測繪區(qū)域的地形地貌特征等進(jìn)行分析，可以制定三維激光掃描儀的掃描半徑，以確保三維坐標(biāo)信息精度符合測量基本要求。此外，掃描過程中嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)范進(jìn)行，可有效減少不必要的人為誤差等。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在完成準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)測繪地區(qū)地形地貌變化特征編制測繪設(shè)計方案，開始進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。外業(yè)數(shù)據(jù)采集是獲取測繪區(qū)域三維坐標(biāo)信息的原始數(shù)據(jù)，也是制作大比例尺地形圖的基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)。因此，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中必須確保采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度是滿足相應(yīng)比例尺地形圖精度要求的。前文已述及，三維激光掃描儀的掃描精度受掃描距離影響較大，精度隨著掃描距離的增加而逐漸降低，因此，外業(yè)采集數(shù)據(jù)時要根據(jù)測繪區(qū)域地形地貌、三維激光掃描儀型號、礦山地形圖比例尺要求等確定三維激光掃描儀的最大掃描距離，主要目的在于確保每次掃描結(jié)果均滿足相應(yīng)比例尺精度的基本要求。

文章以某金屬礦山1∶2000大比例尺地形圖測繪為例，采用HDS ScanStation C10型號的三維激光掃描儀，最終確定該測繪區(qū)域的最大掃描距離為270m和300m兩種。此外，為了提高該礦山大比例尺地形圖精度，此次測繪過程中根據(jù)測繪區(qū)域踏勘成果資料將測繪區(qū)域分解成3個子區(qū)塊，盡可能減少測繪盲區(qū)的出現(xiàn)和測量基站的站數(shù)，為提高測繪精度和測繪效率奠定基礎(chǔ)。在外業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，每站三維激光掃描任務(wù)完成后需立即檢核掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足相應(yīng)比例尺地形圖的基本精度要求，若所獲掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)標(biāo)，即可進(jìn)行下一基站的測量任務(wù)；若所獲掃描數(shù)據(jù)的精度不能滿足相應(yīng)比例尺精度要求，則需要及時查找造成精度降低的原因并及時開展重測工作，直至每一基站的掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量均達(dá)標(biāo)為止。

2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于三維激光掃描儀的掃描精度隨著掃描距離的增加而降低，因此，完成某一礦山大比例尺地形圖測繪工作需要進(jìn)行多基站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作，才能使得測繪區(qū)域的三維坐標(biāo)信息統(tǒng)一至某一坐標(biāo)系統(tǒng)下，相繼生產(chǎn)最終的地形圖[5]。利用三維激光掃描技術(shù)獲得的每一基站的掃描數(shù)據(jù)均為掃描儀內(nèi)部的自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，即所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)系統(tǒng)是不統(tǒng)一的[7]。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需要將測繪區(qū)域各個獨(dú)立的站點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一至某一坐標(biāo)系統(tǒng)中，但是為了提高各個獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換精度，可以將測繪區(qū)域中的其他獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)先統(tǒng)一至某一測站的局部坐標(biāo)系統(tǒng)下，即通過利用相鄰站點(diǎn)之間多個同名控制標(biāo)靶的配準(zhǔn)提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方式對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度影響較大，一般可分為相對配準(zhǔn)和絕對配準(zhǔn)兩種方式。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對配準(zhǔn)指的是以測繪區(qū)域某一站點(diǎn)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將其他各個獨(dú)立的點(diǎn)云坐標(biāo)統(tǒng)一至該坐標(biāo)系統(tǒng)之下，一般需要不同站點(diǎn)之間至少有3個同名標(biāo)靶才能完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。隨著測繪面積的增加，需要配準(zhǔn)的獨(dú)立基站坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)量也越多，使得傳遞誤差逐漸增大，因此，在基站數(shù)量多的測繪任務(wù)中不宜使用該種配準(zhǔn)方式。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的絕對配準(zhǔn)方式是三維激光掃描測量與傳統(tǒng)的測量儀器（GPS、經(jīng)緯儀、全站儀）等相結(jié)合，也就是利用其他單點(diǎn)測繪方式獲取每一基站的坐標(biāo)系統(tǒng)和標(biāo)靶的坐標(biāo)，也意味著使用不同的測繪手段將目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)絕對化，進(jìn)而將各個測站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化至絕對的坐標(biāo)系統(tǒng)下，因此，絕對配準(zhǔn)方式不存在傳遞誤差，獲得的地形圖精度也更高。

2.4 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術(shù)的基本原理是以激光脈沖信號和目標(biāo)表面反射的信號為基礎(chǔ)計算的三維坐標(biāo)信息，因而，通過激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)除了包含地形信息，還包含了電線桿、房屋、樹木、植被以及大量的其他噪聲。因此，在生產(chǎn)大比例尺地形圖之前需要進(jìn)行非地形數(shù)據(jù)信息的過濾和剔除工作。非地形信息數(shù)據(jù)的過濾和剔除一般是采用軟件平臺完成的，文章選用Cyclone軟件剔除樹木、植被、房屋、電線桿、高壓線以及其他噪聲，完成后根據(jù)1∶2000大比例尺地形圖要求按照一定等高間距手動提取測繪區(qū)域的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而自動生成相應(yīng)比例尺的等高線。在自動生成等高線后，需要及時查看自動生成的地形線是否存在扭曲、不光滑，甚至是缺失等問題。若存在上述問題，需對比掃描時自動存儲的掃描照片進(jìn)行手動修正，確保無誤后添加高程注記點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)圖框等信息，進(jìn)行地形圖圖面整飾以及核查工作，無誤后提交成果資料。

3 結(jié)束語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比，顯著地縮短了外業(yè)數(shù)據(jù)采集周期，減少了大量的外業(yè)工作，提高了測繪效率；使用三維激光掃描測量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)相對較為成熟，生產(chǎn)的最終大比例尺精度高，能夠滿足相應(yīng)比例尺地形圖的基本精度要求。但是，三維激光掃描技術(shù)所獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含了測繪區(qū)域真實地形信息，還包含了大量的樹木、植被、房屋、電線桿、高壓線等以及其他噪聲，在噪聲剔除過程中尚未形成一套完整有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理并生產(chǎn)高精度地形圖的方法。因此，在今后的研究過程中應(yīng)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)。