三維激光掃描儀在礦山復(fù)雜地形測(cè)量中的應(yīng)用

陸萬杰，董英平，萬世斌，歐東，張郁山，逯登棟

（青海黃河礦業(yè)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000）

在礦產(chǎn)資源開采過程中，使用的傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器有GPSRTK和全站儀等，都是單點(diǎn)測(cè)量的方式，這樣的測(cè)量方式，測(cè)量精度受人為因素的影響較大。通過調(diào)研，各礦山的方量驗(yàn)收的誤差取2%作為經(jīng)驗(yàn)值，即月驗(yàn)收累計(jì)方量和年度復(fù)核方量的差值占月驗(yàn)收累計(jì)方量的2%，比如開采1000萬方礦石，可能會(huì)流失20萬方。為了實(shí)現(xiàn)礦山精細(xì)化管理，減少因?yàn)闇y(cè)量誤差造成資源貧化等問題，夏日哈木礦山引進(jìn)了三維激光掃描儀來控制方量驗(yàn)收的誤差，并且可為實(shí)現(xiàn)智慧化礦山從二維平臺(tái)轉(zhuǎn)到三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示提供三維實(shí)景模型。

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？梢钥焖?、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于其具有快速性，不接觸性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，其在礦山的應(yīng)用推廣非常有必要的。

為了確保三維激光掃描儀能夠在礦山順利投用，需要對(duì)掃描儀進(jìn)行精度驗(yàn)證，保證數(shù)據(jù)的可靠性。本文首先分析了三維激光掃描儀的工作原理及流程，再利用三維激光掃描儀對(duì)廠區(qū)內(nèi)一處山包進(jìn)行測(cè)量，并建立三維模型，將模型對(duì)照實(shí)地進(jìn)行分析；然后從模型中提取高程點(diǎn)，利用萊卡全站儀對(duì)提取高程點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，為三維激光掃描儀在礦區(qū)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 激光掃描測(cè)量技術(shù)的原理

該掃描儀采用的是脈沖式激光測(cè)距的原理，利用非接觸式高速激光測(cè)量，以點(diǎn)云的形式測(cè)得被測(cè)物體表面矩陣式的三維數(shù)據(jù)。硬件設(shè)施主要包括掃描儀主機(jī)（脈沖式激光器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制系統(tǒng)、測(cè)量型望遠(yuǎn)鏡、內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)）、電源及外業(yè)測(cè)量平板電腦。

圖1 三維激光掃描儀主機(jī)

圖2 外業(yè)測(cè)量手簿

該掃描儀儀器主要參數(shù)見表1

表1 三維激光掃描儀主要參數(shù)

其工作原理主要有測(cè)距、測(cè)角兩個(gè)方面。

（1）脈沖式測(cè)距：通過記錄發(fā)射和接收脈沖信號(hào)的時(shí)間差ΔT來計(jì)算出被測(cè)物體的距離S(光速為C)。

（2）測(cè)角：該掃描儀工作時(shí)進(jìn)行水平和垂直方向掃描，通過時(shí)鐘控制編碼器測(cè)量激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β。

測(cè)得被測(cè)物體的距離S、激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β后，再利用極坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的X,Y,Z坐標(biāo)。最終成千上億帶有三維坐標(biāo)和反射率信息的點(diǎn)在電腦上呈現(xiàn)出真實(shí)尺寸的環(huán)境信息。

圖3 目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算圖

2 三維激光掃描儀的測(cè)量流程

利用三維激光掃描儀進(jìn)行地形測(cè)量主要分為外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，具體工作流程如圖4。

圖4 測(cè)量流程圖

（1）外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)包括測(cè)站點(diǎn)選取、控制測(cè)量、點(diǎn)云采集三步。測(cè)站點(diǎn)選取時(shí)根據(jù)被測(cè)地形的實(shí)際情況均勻分布，對(duì)于復(fù)雜地形可多設(shè)站，考慮測(cè)站之間的銜接，避免出現(xiàn)掃描死角，盡可能提高掃描覆蓋率,并且站點(diǎn)不能設(shè)置太遠(yuǎn)，必須在掃描儀的有效掃描距離內(nèi)，還必須設(shè)置合理的站數(shù)，站數(shù)如果選擇少了，就會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)，拼接后的數(shù)據(jù)有黑洞，如果站數(shù)過多，就會(huì)降低掃描效率，增加掃描時(shí)間，也會(huì)積累拼接的誤差，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置盡量少且合理的站數(shù)，獲得最佳的掃描結(jié)果。測(cè)站點(diǎn)選定后可由GPS-RTK測(cè)得測(cè)站點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)，再通過后視定向原理為儀器設(shè)定好坐標(biāo)系，后視點(diǎn)選取時(shí)盡量選取在地勢(shì)較高的位置，做到盡可能多的測(cè)站用到同一后視點(diǎn)，以防止后視坐標(biāo)產(chǎn)生的誤差影響后期數(shù)據(jù)拼接。待三維激光掃描儀在礦山正式投用后可以考慮在較高位置設(shè)置永久后視點(diǎn)，來減少后視點(diǎn)的誤差對(duì)測(cè)量精度的影響。最后在手簿中設(shè)置氣壓、溫度、天氣、光照強(qiáng)度等參數(shù)，保證激光測(cè)距的精度，最后再由儀器進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)匹配、去噪抽稀和數(shù)據(jù)建模。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入配置的數(shù)據(jù)處理軟件中，分析掃描數(shù)據(jù)，查看分層情況，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，可通過配準(zhǔn)功能將分層數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。去噪抽稀是將掃描過程中現(xiàn)場(chǎng)存在的人員、設(shè)備、粉塵等噪點(diǎn)過濾，主要的方式有地形過濾、按最小間隔過濾、特征點(diǎn)過濾、近程過濾等。數(shù)據(jù)建模是通過大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)該功能的主要方式有地形三角網(wǎng)、消峰、孔洞填充等。

3 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)是一種利用激光測(cè)距的原理，通過掃描得到三維立體空間數(shù)據(jù)的非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，三維激光掃描儀可以對(duì)被測(cè)物體的面進(jìn)行測(cè)量，因此其在復(fù)雜的空間環(huán)境中的表現(xiàn)力更強(qiáng)。測(cè)量后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)軟件中，從而快速獲得被測(cè)物體的三維模型，進(jìn)行點(diǎn)、線、面和量的數(shù)據(jù)提取。三維激光掃描技術(shù)有如下特點(diǎn)：

表2 全站儀精度驗(yàn)證結(jié)果表

（1）精確度高。傳統(tǒng)的攝像測(cè)量是根據(jù)像控點(diǎn)的坐標(biāo)來建立模型上個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，因此點(diǎn)位測(cè)量精度與像控點(diǎn)的精度和位置密切相關(guān)。三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云精度一般高于攝影測(cè)量中的解析點(diǎn)，且精度分布均勻。此外，三維激光掃描技術(shù)還可以避免表面近似誤差的問題。為實(shí)景三維模型的建立提供了更加精細(xì)和可靠的三維數(shù)據(jù)，推動(dòng)真三維實(shí)景。

（2）環(huán)境影響因素小。傳統(tǒng)的測(cè)量方法考慮操作性和測(cè)得數(shù)據(jù)真實(shí)性，一般不能在夜晚進(jìn)行作業(yè)，而三維激光掃描技術(shù)獲取掃描物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過接受自身發(fā)射的激光回波信號(hào)，因此不受時(shí)間和空間的約束，延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間和擴(kuò)大了測(cè)量領(lǐng)域。

（3）數(shù)據(jù)覆蓋率高。對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法和儀器，如全站儀、GPS-RTK等，在測(cè)量地形時(shí)，只能測(cè)量地形特征點(diǎn)，該類方法在地勢(shì)險(xiǎn)峻地區(qū)和地形起伏較大的區(qū)域勘測(cè)阻力較大，難以保證工作的全面覆蓋，三維激光掃描技術(shù)通過采集高密度、高分辨率的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)解決了這一難題，三維激光掃描儀的脈沖激光在數(shù)秒內(nèi)可以采集成千上萬個(gè)點(diǎn)，這使我們突破了單點(diǎn)模式，可以獲得更多的物體空間信息,在兼顧測(cè)繪精度要求的同時(shí)，快速、高效地解決測(cè)繪過程中存在的邊界不客觀、不符合實(shí)際情況等問題。

（4）非接觸式測(cè)量。除了傾斜攝影的測(cè)量方式，其他傳統(tǒng)的測(cè)量方法都必須靠近被測(cè)物體，甚至必須接觸到被測(cè)物體才能夠進(jìn)行測(cè)量，但三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距技術(shù)，可在2KM外采集物體表面的三維信息數(shù)據(jù)。這種非接觸掃描目標(biāo)的測(cè)量方法能夠測(cè)量有潛在安全風(fēng)險(xiǎn)、人員無法接近的環(huán)境，在安全和經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮重要作用。

（5）數(shù)據(jù)實(shí)用性和兼容性較好。礦山生生產(chǎn)活動(dòng)本身就是在一個(gè)三維動(dòng)態(tài)的空間環(huán)境上進(jìn)行的，通過三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，生成的數(shù)字高程模型，可以將礦山的儲(chǔ)量計(jì)算、采礦設(shè)計(jì)、計(jì)劃編制、生產(chǎn)管理等活動(dòng)從二維空間轉(zhuǎn)變到三維空間模型上，相比通過平面圖、剖面圖進(jìn)行管理具有簡(jiǎn)單、直觀的效果。并且可根據(jù)需求進(jìn)行點(diǎn)、線、面操作，生成不同部位、不同比例尺的圖件，輸出成果能與南方CASS、ArcGIS、Dimine等軟件相結(jié)合處理。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在廠區(qū)選擇一處山包進(jìn)行掃描測(cè)量，利用萊卡GPS-RTK獲取測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，控制點(diǎn)采用廠區(qū)內(nèi)四等平面控制網(wǎng)。測(cè)量前先對(duì)山包整體情況進(jìn)行查看，選擇大致的測(cè)站點(diǎn)位置，再按測(cè)量流程對(duì)山包進(jìn)行測(cè)量，掃描完成后生成模型，和現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片進(jìn)行對(duì)比，大致檢查生成模型的準(zhǔn)確性。

如圖5、圖6，掃描所得模型完全符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，展現(xiàn)了山包的小溝壑和紋理特征，測(cè)量細(xì)節(jié)表現(xiàn)力極強(qiáng)，由此可得，三維激光掃描儀尤其在對(duì)復(fù)雜地形的測(cè)量具有很大優(yōu)勢(shì)。另外掃描時(shí)不僅測(cè)量了三維坐標(biāo)信息，同時(shí)采集了被測(cè)物體的影像信息，可滿足使用者的不同需求。

圖5 建成的模型

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際照片

5 利用全站儀精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證掃描儀測(cè)得模型的準(zhǔn)確性和可靠性，依據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)，本文引入中誤差，通過從掃描的模型中提取13個(gè)點(diǎn)，利用萊卡全站儀進(jìn)行精度驗(yàn)證。計(jì)算公式為：

式中，Mz為高程中誤差；Δ為檢測(cè)較差；n為檢驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)。

在相同控制網(wǎng)基準(zhǔn)下，利用萊卡全站儀對(duì)模型中提取的坐標(biāo)進(jìn)行放樣，并測(cè)得放樣點(diǎn)的高程，測(cè)得結(jié)果如表2。

經(jīng)計(jì)算，z方向檢測(cè)較差最大值為24mm，最小值為-14mm，平均值為8.2mm，中誤差為12mm；現(xiàn)場(chǎng)分析原因是山包質(zhì)地較軟，利用棱鏡測(cè)量時(shí)有下陷的可能，總體分析三維激光掃描儀測(cè)量所得的模型,模型成果滿足1：500地籍測(cè)圖精度要求。

6 結(jié)論

通過萊卡全站儀對(duì)三維激光掃描儀測(cè)得的三維模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，三維激光掃描儀用于地形測(cè)量滿足地形測(cè)量的精度要求，并且掃描儀在地形測(cè)量是可不受時(shí)間、空間限制，隨時(shí)獲取目標(biāo)物體表面的三維信息，尤其在復(fù)雜地形測(cè)量方面，掃描儀可以真實(shí)反應(yīng)出地表情況，能夠?qū)⒌匦蔚拿恳惶幮羡诌M(jìn)行測(cè)量，真正做到了實(shí)景復(fù)制，為采出的礦量提供了更加精確的數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀在礦山投用后將在礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)生產(chǎn)、礦山資源儲(chǔ)量管理方面發(fā)揮重要作用。

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷更新，各種生產(chǎn)活動(dòng)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也從抽象到真實(shí)，從靜態(tài)到時(shí)序，從靠人理解到人機(jī)兼容理解，從平面到立體，從按要素、分尺度到按實(shí)體、分精度，從陸地表層到全空間的方向改變著，全新的需求體系帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，現(xiàn)實(shí)問題正在倒逼產(chǎn)業(yè)加速升級(jí)。此外，如何高效獲取更直觀的三維展示成果及減少數(shù)據(jù)冗余等問題仍是今后探索的趨勢(shì)。

三維激光掃描技術(shù)在礦山的應(yīng)用將推動(dòng)礦山生產(chǎn)的精細(xì)化管理。并且該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索。