廢棄礦山生態(tài)修復(fù)中采用三維激光掃描技術(shù)實踐研究

穆嘉琳，李 靖，李文成

（1.北京市昌平區(qū)園林綠化局，北京 102200；2.中勘天成（北京）科技有限公司，北京 100195）

礦產(chǎn)資源推動人類社會發(fā)展的同時，破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[1]，影響了地質(zhì)環(huán)境，產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。首先，采礦過程形成大量的開采面、危巖、渣堆，破壞了礦區(qū)原始植被，導(dǎo)致地表裸露，產(chǎn)生荒漠化，造成揚塵污染，滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[3]。其次動、植物生存環(huán)境被破壞，加劇了對動、植物的棲息地干擾，使廢棄礦山植物和動物喪失多樣性[2]。最后，還會通過水污染、土壤污染以及不同程度的固體污染，逐步擴大污染區(qū)域。

三維激光掃描技術(shù)憑借采集快、密度大、精度高、非接觸和范圍廣等優(yōu)點[4]，彌補了傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)獲取及計算方面的缺點，在測樹因子調(diào)查、礦山表面積計算、礦山系統(tǒng)滑坡體、危巖體等隱患分析以及結(jié)構(gòu)安全性評估防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用中得到了很好的效果。被越來越多的應(yīng)用于礦山修復(fù)中。三維激光掃描技術(shù)利用激光測距的原理，利用脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距離目標(biāo)的斜距，以及記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標(biāo)，同時記錄激光點的反射強度值，實現(xiàn)全自動陣列式高速、實時掃描。本文以南口鎮(zhèn)居庸關(guān)村、花園分區(qū)礦山修復(fù)治理項目為例，介紹基于三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用于廢棄礦山生態(tài)修復(fù)三維建模和表面積核算、危巖體等隱患分析的方法。

1 工程概況

修復(fù)區(qū)位于北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)居庸關(guān)村、花園分區(qū)，位處燕京八景之一的居庸疊翠范圍內(nèi)，北側(cè)緊鄰居庸關(guān)長城風(fēng)景區(qū)，西鄰G6京藏高速公路和京包鐵路線，京張高鐵在本段北側(cè)穿過，是南口隧道和居庸關(guān)隧道銜接之處，中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°05′55.70″，北緯40°16′53.85″，修復(fù)區(qū)為一處廢棄石灰礦，面積為570.0 畝。修復(fù)區(qū)內(nèi)邊坡角度在70°左右，最大坡度80～90°。為了更加深入了解勘查區(qū)地形，使用Trimble TX8 三維激光掃描儀進(jìn)行了地面架站掃描；使用Trimble RealWork 點云處理平臺進(jìn)行了測站拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；使用cloudcompare 軟件進(jìn)行了地面點云的提??；使用surfer 軟件進(jìn)行了數(shù)字高程模型的制作；使用Trimble Businesscenter 和南方CASS 等軟件進(jìn)行了地形圖的生產(chǎn)，為其后期裸露巖壁，危巖等生態(tài)治理提供參考資料。

2 三維激光掃描技術(shù)的特點

2.1 強化數(shù)據(jù)采集精度，高效完成測繪工作

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，能夠在很大程度上降低誤差現(xiàn)象的出現(xiàn)，極大地保障了礦山數(shù)據(jù)采集過程相關(guān)信息的質(zhì)量與精確度，在很大程度上提高了三維模型建立的便利性。同時三維激光掃描技術(shù)在測量之前的準(zhǔn)備工作也相對簡便，對周圍環(huán)境的要求并不苛刻，測量時可以實現(xiàn)自動化測量，獲取被測對象的信息時間周期短，減少了傳統(tǒng)人工操作與收集過程的工作量，確保更加便利的獲取到被測對象的相關(guān)信息，提高測繪工作效率與質(zhì)量。

2.2 構(gòu)建三維模型，量化礦山系統(tǒng)隱患

通過高速激光掃描測量方法，三維激光掃描技術(shù)可以大面積、高分辨率、快速地獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)，并通過采用Canny 算子利用Matlab 編程語言等計算機內(nèi)業(yè)處理，提取獲取危險源的三維實景數(shù)據(jù)，核算裸露山坡表面積，量化危巖體表面裂縫特征線，為其后期危巖體的形變分析，裸露巖壁、危巖體的生態(tài)治理方法的選擇及預(yù)算提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，極大減少了人工測量所帶來的困難與不便。

2.3 獲取樹木的立體模型,提取精準(zhǔn)測樹因子

三維激光掃描技術(shù)在森林資源調(diào)查、林分結(jié)構(gòu)研究、單株立木三維建模等方面應(yīng)用潛力巨大。利用三維激光掃描技術(shù)可以無損傷、高效、精準(zhǔn)監(jiān)測立木材積,為動態(tài)連續(xù)監(jiān)測疏林立木調(diào)查因子和材積的提供了一種新的思路與方法。

3 三維激光掃描測繪的具體流程

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先工作人員結(jié)合無人機勘察以及人工勘察的方式對礦山自身的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行觀察，確定掃描儀器觀測位置、掃描次數(shù)、順序、范圍測繪等過程參數(shù)。在對礦山進(jìn)行掃描時需要注意，首先應(yīng)盡量避免茂盛高大的樹木遮擋，減少植物對激光的吸收。其次應(yīng)爭取以較少的站數(shù)來獲取盡可能大的完整的掃描區(qū)域數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)拼接誤差。之后還要注意進(jìn)行整平對中。

根據(jù)三維激光掃描儀與掃描體之間的距離以及采集的點云數(shù)據(jù)用途，設(shè)置粗掃過程中點云間隔，設(shè)置掃描角度進(jìn)。在完成初步掃描之后，還要進(jìn)行精掃，獲得這些公共點或者標(biāo)靶點的精確位置。在完成了精掃后，三維激光掃描儀會利用自帶的數(shù)碼相機獲取到掃描區(qū)域的色彩、紋理等特征信息。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理前，應(yīng)先評估檢測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。其次還需要進(jìn)行點云去噪，祛除由于礦山植被遮擋造成點云離散的，分布在地表點云上方的，不具有連續(xù)性的以及與周圍鄰近點的高差較大的不必要數(shù)據(jù)，得到后期需要的數(shù)據(jù)。同時還要注意影像的分布、重疊度、對比度、亮度等對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

數(shù)據(jù)處理完后進(jìn)行測站拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是一個重要的過程，通過使用Trimble RealWork 點云處理平臺進(jìn)行拼接與轉(zhuǎn)換能夠有效提高后期處理與測量精度。

之后結(jié)合全球定位系統(tǒng)與激光掃描技術(shù)對礦山被測位置的三維點位信息進(jìn)行測量與獲取，定位礦山廢棄地具體位置，創(chuàng)設(shè)礦山廢棄地三維立體模型。

最后工作人員根據(jù)礦山三維立體模型來提高礦山信息與完善豐富數(shù)據(jù)系統(tǒng)同時將礦山測量早期的數(shù)據(jù)信息與實際測量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的對比，建立相關(guān)的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并在后續(xù)的礦山修復(fù)過程進(jìn)行監(jiān)控，確保在最大程度上提高廢棄礦山修復(fù)治理效果。

4 結(jié)語

通過三維掃描技術(shù)可以有效獲取礦山廢棄地三維信息及地質(zhì)信息，加強礦山廢棄地三整體三維虛擬模型的建立，對于促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山修復(fù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)安全性評估防災(zāi)減災(zāi)，以及輔助相關(guān)人員完成后期礦山修復(fù)工作等方面具有現(xiàn)實意義，但同時對于在實際應(yīng)用過程三維掃描技術(shù)的不足還需相關(guān)人員在日常的工作中采取有關(guān)措施進(jìn)行消除，只有這樣才能進(jìn)一步提高工程測量測繪工作的質(zhì)量，進(jìn)一步推動我國工程測繪施工領(lǐng)域的發(fā)展。