淺析礦山地質(zhì)測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

馬旭東，張文君，楊元繼，劉晨陽，申 銳，何宗翰

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.國家遙感中心綿陽科技城分部，四川 綿陽 621010）

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

基于激光測距原理，通過激光射器向被測對象發(fā)出光線，光線抵達(dá)物體表面后反射至接收器，由光轉(zhuǎn)換器將反射光線轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號發(fā)送至終端件程序進(jìn)行譯碼處理，從而獲取并記錄被測物體表面測點(diǎn)的紋理、三維坐標(biāo)值及反射率等信息，在程序中快速建立被測對象三維數(shù)字模型，完成測繪任務(wù)。簡單來講，則是采取激光掃射方式，在三維激光掃描儀與被測對象保持非接觸狀態(tài)下測得物體輪廓集合數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至測繪系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取地面地物、生成等高線等操作，最終輸出特定格式的曲面數(shù)字化模型。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)有著快速性、主動性、數(shù)字化、非接觸性、高精度與高密度等優(yōu)勢，在礦山地質(zhì)測繪項目中，與傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在非接觸測量、動態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采樣速率高三方面。其一，在非接觸測量方面，由于礦山地質(zhì)測繪項目的測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，如果采取人工測量方法，需要測繪人員抵達(dá)測區(qū)內(nèi)全部區(qū)域，不但加大了測繪工作量，還將面臨著諸多難題。而對三維激光測繪技術(shù)的應(yīng)用，基于技術(shù)非接觸性特征，測繪人員可以與被測對象保持一段距離，操縱激光掃描儀發(fā)射激光回波信號來直接獲取被測對象數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量不受環(huán)境時空約束。其二，在動態(tài)檢測方面，基于通信手段聯(lián)通計算機(jī)，三維激光掃描儀即時將所采集的空間點(diǎn)位信息與物體表面紋理信息等發(fā)送至配套程序軟件，同時開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)，在短時間內(nèi)斷面體積測量等礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，使測繪項目具備動態(tài)性、實時性的特征。其三，在數(shù)據(jù)采樣速率方面，采樣速率是單位時間內(nèi)從連續(xù)信號中提取和轉(zhuǎn)換為離散信號的采樣個數(shù)，簡單來講則是單位時間內(nèi)所采集信號樣本數(shù)量，采樣速率越高，則測繪作業(yè)效率與測量精度越高，而三維激光掃描技術(shù)的采樣速率在數(shù)千點(diǎn)/秒至數(shù)十萬點(diǎn)/秒不等，采樣速率遠(yuǎn)高于人工測量等傳統(tǒng)測繪技術(shù)。

2 三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用流程

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

在地質(zhì)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，提前做好實地勘察工作，根據(jù)測區(qū)現(xiàn)場情況來布設(shè)一定數(shù)量的測區(qū)站點(diǎn)，合理選擇站點(diǎn)位置，嚴(yán)格控制站點(diǎn)數(shù)量，將掃描測站間距保持在50m以內(nèi)，測站數(shù)量控制在5～30個左右，避免因站點(diǎn)位置選擇不當(dāng)與數(shù)量過少而影響到數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性。同時，根據(jù)礦山地質(zhì)測繪項目要求來選擇激光測距方式，常用方式包括脈沖測距法、激光三角法、相位測距法和脈沖-相位式測距法，一般情況下采取脈沖測距法即可，將三維激光掃描儀的采樣點(diǎn)速率保持在數(shù)千點(diǎn)/秒，必要情況下則采取相位測距法，將采樣點(diǎn)速率提升至數(shù)十萬點(diǎn)/秒。隨后，測繪人員在測點(diǎn)搭設(shè)與調(diào)試設(shè)備，按順序依次完成相機(jī)調(diào)試、三維激光掃描儀架設(shè)、聯(lián)通計算機(jī)、測點(diǎn)參數(shù)設(shè)置，盡可量在高于控制點(diǎn)的區(qū)域架設(shè)三維激光掃描儀。最后，操作三維激光掃描儀，依次開展掃面掃描與細(xì)節(jié)掃描作業(yè)，根據(jù)測點(diǎn)分布密度、云集密度與掃描儀和目標(biāo)間距，合理選擇掃面時間長度，在一般情況下將每站掃面掃描時間設(shè)定為12min即可，如果掃描儀和被測目標(biāo)間隔距離較遠(yuǎn)，則適當(dāng)延長掃面掃描時間。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，測繪人員使用軟件程序，對所接收的被測物體輪廓集合數(shù)據(jù)執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、植被過濾、多站點(diǎn)調(diào)整、噪聲分隔、三角網(wǎng)與等高線生成、圖像匹配等操作，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入所構(gòu)建目標(biāo)模型中，生成特定格式曲面數(shù)字化模型，完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)。其中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理為，雖然三維激光掃描儀自身具備GPS系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)采集精度有限，僅能做到對大致方向與坐標(biāo)的呈現(xiàn)，需要對測量數(shù)據(jù)加以糾正處理，將其調(diào)整至正確坐標(biāo)。植被過濾處理為，運(yùn)用全波形數(shù)字處理方法，控制激光射線透過測區(qū)地表植被來獲取地面及地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的輪廓集合數(shù)據(jù)，消除地表植被對測繪成果質(zhì)量造成的影響。多站點(diǎn)調(diào)整為，測繪人員使用RiScan Pro等系列軟件程序，在程序中導(dǎo)入外業(yè)數(shù)據(jù)，對若干圖片加以拼接擬合處理，以此來改善圖片平差效果，解決制圖接邊問題。噪聲分隔處理為，對所采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)執(zhí)行去噪處理，消除或分隔數(shù)據(jù)中夾雜的噪點(diǎn)，再將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)字高程模型。三角網(wǎng)與等高線生成為，使得軟件程序中所生成圖像可以更為清晰、準(zhǔn)確的描述測區(qū)礦山地質(zhì)條件，解決點(diǎn)位分布不均、掃描密度過大、信息混亂等實際存在的問題。而圖像匹配處理為，將各處站點(diǎn)采集的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配處理后導(dǎo)入相同坐標(biāo)系，基于定位系統(tǒng)作用來獲取詳細(xì)地質(zhì)信息，便于定量分析、目標(biāo)構(gòu)模、遙感數(shù)據(jù)分析和消除噪音等操作的執(zhí)行。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完畢后，即可編輯礦山地形圖，執(zhí)行空間數(shù)據(jù)編輯、屬性數(shù)據(jù)編輯、空間實體關(guān)系編輯、圖廊整飾、鄰圖接邊、等高線圖形和地面物體圖形匹配等操作，由測繪人員手動修改前期刪除的地形數(shù)據(jù)和缺失等高線，完成測繪任務(wù)。

2.3 測繪成果精度評定

在礦山地質(zhì)測繪項目中，根據(jù)實際應(yīng)用情況來看，受到儀器設(shè)備、人為操作、測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境等多方面因素影響，易產(chǎn)生測量誤差，測繪結(jié)果精度有待提高，這一問題的存在，限制了三維激光掃描技術(shù)的推廣普及，導(dǎo)致部分項目的測繪成果無法真實、準(zhǔn)確反映測區(qū)地質(zhì)條件，缺乏實際參考價值。因此，在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時，必須做好測繪成果精度評定工作，發(fā)現(xiàn)并處理測繪結(jié)果的誤差部分，而精度評定項目包括平面絕對位置、平面相對位置、地形圖地理精度。其一，對平面絕對位置精度的評定，需要采取特征點(diǎn)擬合提取方式，由測繪人員在軟件中執(zhí)行點(diǎn)云切片操作，將切片厚度保持在2cm內(nèi)，再對切片后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)執(zhí)行近鄰點(diǎn)檢索擬合地形特征點(diǎn)操作，并使用魯棒迭代算法來剔除擬合錯誤點(diǎn)。其二，對平面相對位置精度的評定，執(zhí)行點(diǎn)云切片操作，對照分析地形圖和點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中的地物邊長以及地物點(diǎn)間距，在對比結(jié)果基礎(chǔ)上開展中誤差計算，依照計算結(jié)果來判斷平面相對位置精度是否達(dá)到項目測繪要求。其三，對地形圖地理精度的評定，對所獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展人機(jī)交互檢查、地形圖地理精度和點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比操作，在檢查對比過程中，逐項分析地理要素類型與符號使用偏差等情況是否符合項目標(biāo)準(zhǔn)，從而判定地形圖地理精度，對精度不達(dá)標(biāo)部位進(jìn)行重復(fù)編輯，如變更地理符號。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用形式

3.1 車載激光掃描系統(tǒng)

在礦山地質(zhì)測繪項目中，車載激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描技術(shù)和車載移動測量技術(shù)加以組成，有效彌補(bǔ)了三維激光掃描設(shè)備移動不便的技術(shù)短板，使得測繪效率得到明顯提升，可在短時間內(nèi)完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，因而車載激光掃描形式逐漸取代了常規(guī)的3D激光掃描形式。而車載激光掃描系統(tǒng)與常規(guī)三維激光掃描系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，以車輛為測量平臺，在車頂部位安裝三維激光掃描儀、攝像機(jī)和固定升降設(shè)備，在礦山地質(zhì)測繪期間，測量人員在系統(tǒng)平臺上實時下達(dá)控制指令，用于調(diào)整三維激光掃描設(shè)備及攝像頭的高度與朝向角度，即時將所采集被測對象輪廓集合數(shù)據(jù)與視頻圖像資料上傳至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，視頻圖像資料起到約束數(shù)字模型、優(yōu)化處理外業(yè)采集成果、控制測量誤差的作用。

此外，對車載激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然可以顯著提升礦山地質(zhì)測繪效率和測量精度，但此類應(yīng)用形式的適用條件較為嚴(yán)格，要求測區(qū)現(xiàn)場地勢較為平坦，且因車輛體積所形成的測量盲區(qū)不會明顯影響到測繪成果質(zhì)量，如果未滿足各項應(yīng)用條件，則需要在礦山地質(zhì)測繪項目中采取3D激光掃描儀形式，或是組合應(yīng)用車載激光掃描與3D激光掃描形式。

3.2 3D激光掃描儀

3D激光掃描儀由掃描儀和支架、電源供應(yīng)模塊等配套結(jié)構(gòu)加以組成，在取消反射棱鏡的條件下，通過發(fā)射光線與接收反射光束，將激光分成2束，分別用于照射底片與照射被測對象，從而記錄被測對象表面密集點(diǎn)信息，高效完成掃描操作，準(zhǔn)確獲取各點(diǎn)位三維坐標(biāo)值。與常規(guī)測繪技術(shù)相比，3D激光掃描儀有著可在非接觸條件下獲取目標(biāo)對象數(shù)據(jù)點(diǎn)、使用面測量方式取代單點(diǎn)測量方式、分辨率與數(shù)據(jù)采集效率高、可準(zhǔn)確描述目標(biāo)對象立體結(jié)構(gòu)、測量范圍大、測點(diǎn)分布規(guī)律等優(yōu)勢，且此項技術(shù)的適用范圍較廣，可以在各種測區(qū)環(huán)境中加以應(yīng)用。但是，3D激光掃描儀的操作流程較為繁瑣，如果所架設(shè)3D激光掃描儀未與全部測點(diǎn)保持良好光學(xué)通視條件時，需要拆卸3D激光掃描儀與配套設(shè)備，將其運(yùn)至其他站點(diǎn)進(jìn)行安裝、調(diào)試與采集外業(yè)數(shù)據(jù)。因此，測繪單位需要加大對三維激光掃描技術(shù)的研究力度，將車載三維激光掃描儀和機(jī)載激光三維雷達(dá)探測作為技術(shù)未來發(fā)展方向。例如，在3D激光掃描儀系統(tǒng)基礎(chǔ)上，組合運(yùn)用GPS系統(tǒng)和INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并在飛行器平臺上搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)，使其共同組成光機(jī)電一體化的機(jī)載激光三維雷達(dá)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)快速采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即時將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理軟件來獲取DOM數(shù)字正射影像信息、DEM數(shù)字高程模型以及DSM數(shù)字表面模型。

4 結(jié)語

綜上所述，為突破傳統(tǒng)測繪技術(shù)的局限弊端，更好的完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，全面提高測繪質(zhì)量與作業(yè)效率。因此，測繪單位應(yīng)加大對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用力度，深入了解技術(shù)原理、優(yōu)勢與作業(yè)流程，建立起完善的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用體系，以推動我國測繪事業(yè)的健康、穩(wěn)步發(fā)展。