三維激光掃描儀在地形測繪中的應(yīng)用

李善宏，付 彪，陳元壽，周延鋒

（西部礦業(yè)股份有限公司，青海 西寧 810000）

隨著社會的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智慧化礦山、數(shù)字化礦山的建設(shè)也加快了步伐，礦山測量工作邁入了信息化時代，大比例尺地形圖測繪作為礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，顯得尤為重要，提高大比例尺地形圖測繪的精度和效率、建設(shè)精準(zhǔn)的地表模型及地形圖對礦山生產(chǎn)至關(guān)重要，也是數(shù)字化、智慧化礦山建設(shè)的重要一環(huán)。

1 三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)原理

三維激光掃描儀是通過控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站、利用定向點(diǎn)或內(nèi)置羅盤進(jìn)行定向，利用激光脈沖測距的原理，將被測物體表面的三維坐標(biāo)、地物地貌特征、反射率、紋理等信息準(zhǔn)確記錄，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、抽稀、拼接等過程，構(gòu)建地表三維模型，繪制等高線等。

2 三維激光掃描儀的特點(diǎn)

三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時無需直接接觸被測物體表面和使用反射棱鏡，三維激光掃描儀的這種特點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量儀器的不足，儀器利用脈沖原理直接獲取被測物體表面的三維坐標(biāo)；通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、抽稀等處理，可應(yīng)用于AUTOCAD、南方CASS、DIMINE等軟件中。三維激光掃描儀具有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1 非接觸性

三維激光掃描儀測量被測物體時不需要接觸被測物體的表面，也不需要使用反射棱鏡，從而在對危險區(qū)域進(jìn)行測量作業(yè)時人員無需至進(jìn)入危險區(qū)域，減少了對人員和設(shè)備的危害程度，具有較高的安全系數(shù)。

2.2 高精度

三維激光掃描儀對被測物體進(jìn)行測量時，只需要在第一次設(shè)站時進(jìn)行坐標(biāo)定向作業(yè)，對其他測站的數(shù)據(jù)以首站為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)，減少了傳統(tǒng)測量儀器反復(fù)設(shè)站的誤差；三維激光掃描儀測量時，其原理為對掃描的距離和掃描的角度通過激光脈沖的形式進(jìn)行測量，自動計算被測物體的三維坐標(biāo)，因而具有高精度的特點(diǎn)。

2.3 全天候

三維激光掃描儀測量物體時，不需要光源和棱鏡，為主動測量，不受空間形態(tài)和時間因素的影響，可進(jìn)行夜間、無光源井巷和空區(qū)等各種空間狀態(tài)下的測量，也可用于建筑、大壩、尾礦庫等的變形監(jiān)測，應(yīng)用范圍廣。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

圖1 處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作是三維激光掃描儀進(jìn)行地形測繪的基礎(chǔ)工作，主要目的是獲取測區(qū)范圍內(nèi)的地物地貌的準(zhǔn)確特征，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，在執(zhí)行掃描任務(wù)時需要根據(jù)掃描儀型號、比例尺大小等參數(shù)設(shè)置掃描最大距離，以確保每次掃描精度能夠滿足制圖基本需求[1]。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，為了保證測量的精度，可根據(jù)測區(qū)的復(fù)雜程度和遮擋物的密集程度，選擇合理的檔位進(jìn)行測量，同時為保證后期數(shù)據(jù)拼接的準(zhǔn)確性，在測量作業(yè)時，必須保證測站與測站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊度。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與處理

掃描的測量數(shù)據(jù)，一般情況下，首站是以坐標(biāo)定向進(jìn)行設(shè)站，其他數(shù)據(jù)基本為自由設(shè)站，必須將所有數(shù)據(jù)以坐標(biāo)設(shè)站為基準(zhǔn)，進(jìn)行配準(zhǔn)工作。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時，根據(jù)設(shè)站間距調(diào)整配準(zhǔn)基數(shù)，保證拼接的準(zhǔn)確性，對測站較密，點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)率高的測量作業(yè)，可先進(jìn)行自動定位，再進(jìn)行精確配準(zhǔn)；對點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)率低的作業(yè)，通過平移、配準(zhǔn)、手動旋轉(zhuǎn)等操作，保證點(diǎn)云拼接的準(zhǔn)確性。

對拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行無效地物、反射點(diǎn)等的處理，根據(jù)繪圖精度需要，再進(jìn)行抽稀處理，使圖形達(dá)到相應(yīng)制圖要求。主要因測量時整個測區(qū)是范圍測量，在植被較為復(fù)雜的測區(qū)，必須進(jìn)行植被、地物等雜點(diǎn)的刪除，剔除對等高線的影響，保證地形圖繪制的準(zhǔn)確度，抽稀處理時可根據(jù)測區(qū)范圍、地形復(fù)雜程度、地物特性等因素，合理確定抽稀間距。

4 大比例尺地形圖繪制

4.1 繪制地形表面

用處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繪制地形表面，以檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中存在的誤差，通過對地形表面的分析，尤其是對存在的三角面片凸起、雨雪天氣采集的反射點(diǎn)、地物點(diǎn)形成的獨(dú)立峰，進(jìn)行削峰處理。數(shù)據(jù)過濾后，最終形成精確的地形表面模型。

圖2 地形表面模型

4.2 繪制等高線

根據(jù)地形表面，二次處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直接利用軟件形成等高線，并根據(jù)地形表面，繪制坡頂、坡底線，將地物圖形與等高線圖形進(jìn)行疊加、編輯，同時由于切除了地物部分?jǐn)?shù)據(jù)，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對照測量區(qū)域照片及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，手動進(jìn)行修改，加上高程注記，生成圖視圖例圖廓，進(jìn)行局部修飾。

圖3 地形等高線

4.3 編輯地形圖

在地形圖的編輯過程中，可以將地面一些物體的圖形和等高線進(jìn)行重疊對比，進(jìn)行相關(guān)的編輯。因在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理期間會造成其中一部分地形圖數(shù)據(jù)被刪除，導(dǎo)致等高線的缺失，影響到具體編輯工作，在這種情況下，就要進(jìn)行手動修改，根據(jù)各項資料和一些實(shí)際反饋數(shù)據(jù)的添加來進(jìn)行地形圖的編輯。同時可將地形圖的完善工作應(yīng)用到其他測繪軟件中，通過這些軟件來進(jìn)行地形圖的編輯，從而保證地形圖的準(zhǔn)確性和完整性，對測繪工作進(jìn)行完善[2]。

5 工程應(yīng)用

為準(zhǔn)確計算我公司地表恢復(fù)治理二期工程填挖方量，先對地表進(jìn)行三維激光掃描測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接、處理，建立地表模型，通過兩期模型對比，計算填挖方量，并進(jìn)行地形圖的繪制，將繪制的地形圖利用南方CASS軟件，進(jìn)行兩期方量計算、對比，結(jié)果基本一致。

圖4 方量計算應(yīng)用

6 結(jié)語

三維激光掃描儀在我公司地形測繪中的應(yīng)用與傳統(tǒng)測量對比，三維激光掃描技術(shù)，在地形測繪中，能夠更加精確的反應(yīng)地表地物、地貌特征，且形成的等高線相對于RTK、全站儀測量更加準(zhǔn)確；對填挖方量的計算更加便捷，不受時間、空間形態(tài)所限制。因此，三維激光掃描技術(shù)能夠更好的應(yīng)用于地形測繪中，保證測量的精度與效率，在大比例尺地形測量中也會得到更大的發(fā)展。