三維激光掃描儀在礦山地形測量中的應(yīng)用及精度分析

陳 玲

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091）

三維激光掃描技術(shù)作為一種先進的測繪技術(shù)手段，在礦山地形測量工作當(dāng)中，是以非接觸方式來對礦山地形以及復(fù)雜的環(huán)境條件、空間信息進行快速的掃描和測量，來有效獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，不僅大幅提高了測量效率和質(zhì)量，而且還能自動化存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合實際要求進行計算，獲取相應(yīng)點云數(shù)據(jù)，通過計算機分析處理點云數(shù)據(jù)之后，能夠及時迅速的完成三維模型構(gòu)建，大幅提高了礦山地形測量的精準(zhǔn)性與可靠性，為礦山地形測量工作帶來了巨大便利。

1 三維激光掃描技術(shù)相關(guān)概述

三維激光掃描技術(shù)可以對空間數(shù)據(jù)信息快速獲取，而且精準(zhǔn)化程度較高，測量工作開展過程當(dāng)中不需要對測量物進行直接接觸，在很多領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮的作用越發(fā)重要起來[1]。尤其是在礦山地形測量工作當(dāng)中近些年來，應(yīng)用普及率越來越高，成為開展礦山地形測量工作全新的技術(shù)手段。

2 三維激光掃描系統(tǒng)

由于三維激光掃描儀由于不同的掃描平臺，又有地面激光掃描系統(tǒng)以及機載激光掃描系統(tǒng)和手持激光掃描系統(tǒng)之分。激光掃描儀以及掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、數(shù)碼相機和電源、軟件控制平臺相關(guān)附件共同組成地面三維激光掃描系統(tǒng)。

2.1 地面型三維激光掃描原理

此項技術(shù)手段是基于無反射激光棱鏡長距離快速測距技術(shù)以及空間點陣掃描技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的重要測繪技術(shù)手段，這種測繪技術(shù)手段在測量工作當(dāng)中不需要與測繪對象直接的進行接觸，能夠廣泛的對空間三維信息進行高密度獲取。測量工作當(dāng)中，掃描儀發(fā)射器將激光脈沖信號發(fā)出之后，通過物體對信號進行漫反射，并隨著相同的路徑向接收器傳回。能夠?qū)δ繕?biāo)點P和掃描儀中心距離開展相應(yīng)的計算工作，時鐘控制編碼器能夠?qū)Ω鱾€橫向激光脈沖掃描角度觀測值開展同步測量，并測量掃描角度縱向觀測值。通過定位角度進行分析，相較于傳統(tǒng)全站儀測量技術(shù)手段，三維激光掃描技術(shù)與之基本相同，測量工作當(dāng)中運用激光三角法，基于儀器這一坐標(biāo)原點（O）中心，借助測距（S）以及測角（θ，α）對目標(biāo)和原點相對的P（x，y，z）三維坐標(biāo)進行解算，并利用平移坐標(biāo)系以及旋轉(zhuǎn)，來對各種坐標(biāo)系統(tǒng)地理坐標(biāo)進行獲取[2]。但兩種測量技術(shù)手段也有很大不同，運用地面三維激光掃描技術(shù)進行測量工作過程當(dāng)中，不僅具有很高的精度而且還有很高的自動化程度，可以更加及時全面的對相關(guān)數(shù)據(jù)進行獲取。

2.2 地面型三維激光掃描技術(shù)的特點

①非接觸測量：該技術(shù)在測量過程當(dāng)中，是進行非接觸掃描方式進行測量，不需要反射棱鏡，也不需要處理測量物體表面，可以對物體表面信息數(shù)據(jù)直接采取，能夠真實的采集相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠有效應(yīng)對不利環(huán)境以及一些危險目標(biāo)，工作人員難以企及的問題，這是過去傳統(tǒng)測量方法是很難達到的。②具有很高的分辨率與高精度：三維激光掃描技術(shù)測量工作當(dāng)中，不僅精度高，而且效率也非常高，能夠?qū)λ鶞y物體表面豐富的點云數(shù)據(jù)快速獲取，并能在測點間距為0.1m～2.0m條件下，這一所測目標(biāo)三維數(shù)據(jù)高密度的獲取，所以分辨率非常的高。③可以高效率地開展數(shù)據(jù)采樣工作：運用時間激光或者脈沖激光三維激光掃描儀器設(shè)備，能夠在數(shù)千點/秒效率下完成采樣工作，而三維激光掃描儀器運用相位激光開展測量工作，其測量效率在數(shù)十萬點/秒水平范圍，相較于傳統(tǒng)測量手段，數(shù)據(jù)采樣效率非常之高。④效率高：三維激光掃描技術(shù)運用高速非接觸式激光測量方式，通過點云方式對地面陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)快速的獲取，相較于普通工程測量其優(yōu)勢非常的突出，能夠高效率的開展測量工作。

2.3 地面型三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)通過三維激光掃描技術(shù)手段進行獲取定對實體三維幾何模型進行構(gòu)建，在應(yīng)用對象的不同以及點云數(shù)據(jù)特性不同，數(shù)據(jù)處理過程當(dāng)中運用三維激光掃描進行處理，也有著不同的方法。概括進行分析。處理的整個過程主要涉及以下幾個方面：如去除相應(yīng)的噪聲、多視對齊，精簡相關(guān)數(shù)據(jù)，重構(gòu)曲面。重建模型需要以采集數(shù)據(jù)開始，處理數(shù)據(jù)才能將點云數(shù)據(jù)進行精選重建模型，控制和減少重建模型的復(fù)雜程度，保證更加高效精準(zhǔn)的重構(gòu)模型。具體應(yīng)用過程當(dāng)中，結(jié)合三維激光掃描儀器設(shè)備具有的特點和建模工作開展需求，對相應(yīng)的處理方法及其策略科學(xué)選擇。

（1）去除噪聲。是將點云數(shù)據(jù)內(nèi)，存在錯誤的一些信息數(shù)據(jù)給去除，受不良環(huán)境影響還有一些特殊因素影響，如設(shè)備方面的問題或者行人、樹木等因素影響，導(dǎo)致三維激光掃描儀在掃描過程當(dāng)中采集到，影響地貌真實情況，這就需要將其去除。

（2）多視對齊，測量物體大而復(fù)雜，測量工作當(dāng)中難以一次完成，需要通過各個視角開展測量工作，這就需要多視對齊，為了確保精度要求，開展不同視角掃描工作當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)確保相應(yīng)區(qū)域具備一定重疊度，控制網(wǎng)統(tǒng)一構(gòu)建，確保同一坐標(biāo)系當(dāng)中獲得相應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)，保證拼接精度。

（3）數(shù)據(jù)精簡，海量獲取的點云數(shù)據(jù)，在確保精度，不對曲面重構(gòu)造成影響的前提下，應(yīng)當(dāng)有效的精簡數(shù)據(jù)，運用的經(jīng)典方式主要包括以下幾點，通過平均方式進行精簡，或者通過距離進行精簡。

（4）曲面重構(gòu)，是為了將掃描目標(biāo)真實情況充分體現(xiàn)出來，應(yīng)當(dāng)對掃描數(shù)據(jù)曲面準(zhǔn)確的進行表示。結(jié)合曲面重構(gòu)不同的表現(xiàn)形式，又有離散重構(gòu)與函數(shù)重構(gòu)之分。

3 三維激光在礦山地形測量中的應(yīng)用

3.1 基本流程和軟件開發(fā)

（1）基本流程。礦山地形綜合測量工作當(dāng)中，運用三維激光掃描手段開展測量，具體步驟參見圖1：首先實施野外測量工作，同時整理分析相應(yīng)資料，之后快速的進行成圖，在野外測量工作當(dāng)中，主要涉及操作激光掃描儀器設(shè)備，對反射片合理設(shè)置，通過GPS技術(shù)高效的開展測量工作。分析整理相應(yīng)資料主要涉及轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，自動過濾非地面點，構(gòu)建dDEM，保證及時的進行成圖。

圖1 工作流程簡圖

（2）軟件開發(fā)。為了高效的處理相關(guān)數(shù)據(jù)，達到及時成圖的效果，便可通過IDL工具對數(shù)據(jù)信息處理編制相應(yīng)的軟件，LIDARVIEW。IDL能夠直接面向矩陣，具有非常簡單的語法，編程可視化，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，讀取與計算包含數(shù)據(jù)，開展三維建模。由于該編程語言直接面向矩陣，因此能夠及時的分析處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，這對于三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用發(fā)揮著非常重要的作用。另外，在復(fù)雜計算工作當(dāng)中，該軟件還能將一些計算模塊兒額外的提供出來，使其計算精確度及其效率大幅增強。

3.2 三維激光掃描在某礦山地形測量中的應(yīng)用

（1）獲取野外資料。某礦山達到8000m2總面積大小，約有6000m2面積大小的礦坑，采石場人為因素所形成，不僅具有非常大的面積，而且也有著十分復(fù)雜的地形，植被分布稀少。結(jié)合礦區(qū)實際運用三維激光掃描技術(shù)開展礦山地形測量工作，為了確保測量工作的穩(wěn)步推進，設(shè)置兩人進行野外數(shù)據(jù)獲取，持續(xù)進行2d工作，結(jié)合礦山總面積開展掃描工作，野外測量工作開展過程當(dāng)中，共進行19個站掃描，獲得的精度應(yīng)當(dāng)在±5cm水平，坐標(biāo)共獲取三十余萬多個，進行單站測量工作當(dāng)中，共對五個觀測反射片進行設(shè)置，同時運用GPS對中心點相應(yīng)的大地坐標(biāo)進行獲取。

（2）整理分析數(shù)據(jù)，繪制地形圖。經(jīng)三維掃描獲取的激光點云數(shù)據(jù)輸入到LIDARVIEW中，并通過該軟件實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并開展多站拼接工作，過濾掉一些非地面點，將地表數(shù)據(jù)進行獲取，對礦山高線圖進行生成，并獲取DEM，數(shù)據(jù)通過室內(nèi)進行處理，時間需要1h左右的消耗。

4 精度評價

此項目開展過程當(dāng)中，運用三維激光掃描技術(shù)來完成，分析處理測量獲得的成果，并評價其測量精度，評價精度過程當(dāng)中主要運用相對以及絕對兩個方面開展精度評價。評價相對精度過程當(dāng)中，基于礦山地形圖信息資料基礎(chǔ)上，光掃描技術(shù)在礦山地形測量方面的應(yīng)用精度進行評價。評價礦山地形圖測量工作當(dāng)中，三維激光掃描技術(shù)絕對應(yīng)用精度過程當(dāng)中，隨機將兩處區(qū)域進行選取，采取研究區(qū)域?qū)嵉攸c位，并對比測圖成果，對點位當(dāng)中的誤差進行計算，獲取相應(yīng)的絕對精度，通過研究了解到，借助三維激光掃描技術(shù)進行礦山地形測量，其精度符合相關(guān)要求。

5 結(jié)語

綜上所述，文中結(jié)合實踐對礦山地形測量工作當(dāng)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用及其精度分析，針對礦山測量工作當(dāng)中三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用，提出相應(yīng)的測量流程以及方法。并針對三維激光掃描技術(shù)，礦山測量工作當(dāng)中數(shù)據(jù)分析方面的重難點，將處理激光掃描數(shù)據(jù)專業(yè)軟件給設(shè)計出，即LIDARVIEW，借助這一軟件進行數(shù)據(jù)處理，并與激光點云數(shù)據(jù)充分結(jié)合，將礦山地形圖精準(zhǔn)繪制出，完全符合相關(guān)精度要求，取得了較好的應(yīng)用效果。