三維激光掃描測量技術(shù)在礦山地形測量中的應(yīng)用研究

王鵬飛

在我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展的大環(huán)境下，對礦產(chǎn)資源的需求量越來越多，在礦山測量和開采中，采取先進的技術(shù)和管理理念，已經(jīng)成為發(fā)展新趨勢。在礦山地形測量中應(yīng)用三維激光掃描測量技術(shù)，既能提升地形測量的速度和準度，而且還有助于的建立起智慧化、數(shù)字化礦山。三維激光掃描測量技術(shù)是一種先進的非接觸式測量技術(shù)，手段地形地貌、氣候條件、植物樹木的影響比較小，可對測量區(qū)域進行快速準確的掃描和測量，測量到的數(shù)據(jù)可實時上傳和存儲，再通過相應(yīng)的軟件技術(shù)，就能快速建立起礦山三維模型，為礦山勘查、礦產(chǎn)資源開采提供真實有效的數(shù)據(jù)支持和理論參考。基于此，開展三維激光掃描測量技術(shù)在礦山地形測量中的應(yīng)用研究就顯得尤為必要。

1 三維激光掃描測量技術(shù)的工作原理和優(yōu)勢

1.1 工作原理

三維激光掃描測量技術(shù)的工作原理為通過激光發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，發(fā)射到被測物體的表面之后，激光脈沖信號會沿著被測物體的表面進行漫反射，再沿著相近的路徑反射后傳回到接收器中，接收器上接收的反射信號會實時傳輸給數(shù)據(jù)分析軟件，計算機目標點和三維激光掃描儀之間的距離S，控制編碼器可同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度的觀測值α，以及縱向掃描角度觀測值β。通過三維激光掃描測量技術(shù)可獲得被測物體的三維坐標，其中X 軸布設(shè)在橫向掃描內(nèi)，Y 軸也布設(shè)在橫向掃描內(nèi)和X 軸相互垂直，Z 軸和橫向掃描面垂直，就能獲得被測物體P 的三維坐標，具體的三維激光掃描測量技術(shù)工作原理圖和計算公式如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描測量原理和計算公式圖

1.2 優(yōu)勢

和傳統(tǒng)地形測量技術(shù)相比，三維激光掃描測量技術(shù)不再采取單點數(shù)據(jù)采集模式，而是采用自動收集方法，持續(xù)密集的獲得比測物體的三維數(shù)據(jù)，可得到能夠真實反映被測物體所有屬性的大量點云數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對被測物體的全面測量。三維激光掃描測量技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，測量速度飛快。通過三維激光掃描測量技術(shù)可獲得測區(qū)地物和地形地貌的立體信息，點云數(shù)據(jù)采集速度非常高。和傳統(tǒng)經(jīng)緯儀地形測量方法，大大減少了野外作業(yè)量，自動化水平比較高，可大幅度提升工作效率。

第二，采樣率比較高。三維激光掃描測量技術(shù)是以激光脈沖的方法來對測區(qū)地形進行測量的，覆蓋范圍比較大，僅僅通過一次掃描測量，就能得到大面積的空間信息和三維數(shù)據(jù)。既能實現(xiàn)對測區(qū)地形的數(shù)據(jù)實時采集，而且具有極高的抗干擾能力，氣候、通視條件、溫度等對采樣率的影響比較小，可實現(xiàn)動態(tài)化全天候地形測量。

第三，安全系數(shù)高。地形圖繪制具有很強的復(fù)雜性，需要全面了解和掌握測區(qū)的地形地貌、山溝河谷、建筑、林地、道路等。傳統(tǒng)測量中需要進行大量的野外作業(yè)，不但工作量大，而且需要跋山涉水，蛇蟲鼠蟻的影響比較大，存在很多安全風(fēng)險。而采用三維激光掃描測量技術(shù)可有效解決這一問題，無須大量野外測量，利用無接觸式脈沖設(shè)備，就能完成復(fù)雜、未知危險點的測量，保證了地形測量的安全性。

第四，數(shù)字化和自動化水平比較高。在地形測量中采用三維激光掃描測量技術(shù)，可自動顯示和輸出導(dǎo)入各種數(shù)據(jù)，具有良好的點云數(shù)據(jù)處理和三維建模處理功能。再借助先進的計算機軟件系統(tǒng)，就能實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的實時分析和更新，大大提升了地形測量數(shù)據(jù)的共享效率和利用率。

2 三維激光掃描測量技術(shù)在礦山地形測量中的應(yīng)用要點分析

2.1 案例分析

某礦山工程，位于地形地貌復(fù)雜多變的山區(qū)，交通不便，溝壑傾角大，航空攝影難以獲得測區(qū)全面。測區(qū)最低高程為1756m，最高高程為2104m，平均高程為1950m，為銅鎳礦山，為滿足后期采礦和管理的需求，要求繪制比例尺為1：1000 的地形圖，測區(qū)總面積為12.52km2，多為巖石地質(zhì)。其中北側(cè)地形起伏較大，存在大量的沖溝和陡梁，樹木茂盛，亂石眾多。測區(qū)環(huán)面兩側(cè)地勢稍微平坦，南部為盆地，遮擋嚴重。總體來看，該礦山所在區(qū)域地形復(fù)雜，測量難度大，為保證測量的精度和質(zhì)量，采用三維激光掃描測量技術(shù)，取得了良好效果，值得類似礦山地形測量中大量推廣應(yīng)用。

2.2 設(shè)備選型

在應(yīng)用三維激光掃描測量技術(shù)時，設(shè)備選擇是非常重要的一個環(huán)節(jié)，如果所選擇的設(shè)備性能和參數(shù)，不符合要求，就無法保證礦山地形測量的準確性。在案例礦山地形測量中，采取了Riegl VZ-1000 型號的三維激光掃描儀，為保證測量精度，掃描精度選擇為100m 處14cm，掃描距離控制在600m 左右。三維激光掃描測量得到的數(shù)據(jù)集中存儲治三維激光掃描儀中，掃描測量數(shù)據(jù)包括：地面點三維空間坐標、激光回波強度等。由于測區(qū)面積比較大，在測點選擇時，采取了任意設(shè)站法，但需要在每個車站上布設(shè)不少于3 個臨時感光片，i 保證反射片在三維激光掃描測量的范圍之內(nèi)。各感光片都通過GPS RTK 技術(shù)進行測量，兩兩相鄰的測站，在具體掃描測量中，重疊度需要控制在30%左右，為后期數(shù)據(jù)核對和拼接提供良好條件。本測區(qū)規(guī)模大，為保證地形測量的準確性和全面性，共布設(shè)了240 個測站，成圖35 幅，測量時間約50h，數(shù)據(jù)采集平均速度為300000 點/s，三維激光掃描測量技術(shù)可為此種地形地貌復(fù)雜的礦山地形測量提供便捷的手段和方法，可大幅度測量的工作效率。

2.3 點云數(shù)據(jù)的采集

案例礦山地形起伏變化大，地物多，為獲得更加全面的地形數(shù)據(jù)，通過如下流程來獲得點云數(shù)據(jù)。

第一步，前期準備和設(shè)站。通過現(xiàn)場勘查和實地調(diào)研，確定每個車站的位置和掃描順序，再通過GNSS 測量的方法得到每個測站的具體坐標。在確定好的控制點上，架設(shè)三維激光掃描測量設(shè)備，并進行調(diào)整、對準、調(diào)平，其中電源開關(guān)，對各設(shè)備和部件進行檢驗，確認達標之后再進行掃描測量。

第二步，設(shè)置和連接網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)三維激光掃描測量設(shè)備安裝調(diào)試完成之后，通過專用的連接線路，將計算機和三維激光掃描測量設(shè)備連接到一起，打開Cyclone 軟件，創(chuàng)建一個測區(qū)數(shù)據(jù)庫和工程項目，并執(zhí)行Scanner Connect 進行網(wǎng)絡(luò)連接。

第三步，拍照。執(zhí)行g(shù)et image 命令，三維激光掃描測量儀器就自動旋轉(zhuǎn)起來進行測量拍照，可按照實際需求，選擇整體拍照或者是局部拍照，通過拍攝得到的照片，利用相關(guān)軟件，就能建立起三維模型，進行紋理貼圖操作。

第四步，掃描設(shè)置和獲取點云數(shù)據(jù)。按照實際需求，設(shè)置掃描主距、掃描精度、掃描范圍、標靶類型、后視定向等。在獲取點云數(shù)據(jù)時，要通過執(zhí)行SCAN 命令，就能獲得測區(qū)內(nèi)的全部點云數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用的工序之一，其處理效果直接關(guān)系到整個礦山地形測量的準確性。在本次礦山地形測量中Cyclone 軟件對采集到的點云數(shù)據(jù)進行處理，處理方法包括平滑去噪、匹配拼接。

平滑去噪：在三維激光掃描測量技術(shù)測量礦山地形時，受到設(shè)備精度、測點布設(shè)、操作人員工作經(jīng)驗、被測物體表面質(zhì)量、環(huán)境等因素的影響，獲得的點云數(shù)據(jù)必然存在一定的噪聲點，這就需要在電源數(shù)據(jù)操作之前進行平滑的去噪處理。

匹配拼接：在三維激光掃描測量礦山地形中受到地形地貌、視角等因素的影響，為獲得完整的、全面的的三維坐標信息，采取了多設(shè)測站、多視點的掃描測量方法。每臺三維激光掃描測量儀器獲得的點云數(shù)據(jù)，都是基于該測站點的坐標數(shù)據(jù)，這就需要通過匹配拼接的方法來獲得完整的礦山地形數(shù)據(jù)。具體的匹配拼接方法為：基于點云的拼接、基于標靶的拼接、基于控制點的拼接等。本測區(qū)三維激光掃描測量中，每臺測量儀器都架設(shè)在控制點上，并進行了定向處理，所得到的點云數(shù)據(jù)也都是基于相同坐標系下的數(shù)據(jù)，可將各控制點數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入到Cyclone 軟件中，然后自動添加約束條件來完成測量數(shù)據(jù)的匹配拼接。點云拼接精度為0.0.3m，坐標轉(zhuǎn)化精度為0.035m，坐標轉(zhuǎn)化容差為0.1m，符合本測區(qū)對繪制1：1000 比例尺的需求。

2.5 地物提取和繪制

在進行地物提取時需要結(jié)合礦山實際情況，準確提取地物的顯著特征，比如：房屋角點、電線桿中心點、道路交匯點等。具體做法為先對點云數(shù)據(jù)進行精確匹配，再按照相應(yīng)的紋理信息進行人工提取。或者是通過地面三維激光掃描，對掃描的結(jié)果進行處理提取。本測區(qū)采取了Leica 的Cyclone 軟件進行手工提取地物特征，并以實際所需的格式輸出到計算機文本文件中，常用的輸出格式有：PointNum-ber 格式、Feature Code 格式等，這些格式都可以直接導(dǎo)入到大比例尺測圖軟件中，完成礦山地形圖的繪制。

2.6 生成等高線

礦山地形測量中一些詳細、復(fù)雜的地面信息，用三維激光掃描測量技術(shù)難以準確獲得，因為三維激光掃描測量技術(shù)掃描的密度比較大，在地形測量中點位過密，而且分布均勻，如果采取三維激光掃描測量技術(shù)來構(gòu)建三角網(wǎng)追蹤等高線，受到地面繁瑣細節(jié)信息的影響，致使等高線混亂不堪。所以，當(dāng)三維激光掃描測量技術(shù)采集到的點云數(shù)據(jù)排除其他非地貌因素的干擾之后，都需要按照礦山地形測量的具體精度要求進行適當(dāng)?shù)淖儎雍驼{(diào)整，最后得到相關(guān)數(shù)據(jù)，輸入到大比例尺測圖軟件中，自動形成測區(qū)等高線。

2.7 地形圖編輯

地形圖編輯是三維激光掃描測量技術(shù)在礦山地形測量的最后一道工序，其編輯效果直接關(guān)系到礦山地形圖能否為礦山的開采和管理提供參考和指導(dǎo)。所以，在進行地形圖編輯中，需要對礦山地形圖和等高線進行重疊編輯。但具體編輯中容易受到部分地物數(shù)據(jù)的刪除而影響等高線，致使等高線出現(xiàn)殘缺、異常性、不完整等情況。此時就需要通過手動方法來修正點云數(shù)據(jù)，并參照照片內(nèi)容的實際情況，適當(dāng)添加高層標記，形成一個完整圖廓，對局部位置進行修飾處理。

3 提升三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用效果的方法

雖然三維激光掃描測量技術(shù)在測量速度、質(zhì)量、準確、自動化、數(shù)字化等方面有顯著優(yōu)勢，但在具體應(yīng)用中，為提升應(yīng)用效果，需要切實做好以下幾點：

第一，三維激光掃描測量的精度和多視覺對齊的精度有很大影響，因此，在具體測量中，為最大限度上保證多視對齊精度，在進行不同位置、多視角掃描中，相互連接區(qū)域的重疊度不應(yīng)小于10%。并用PolyWorks 軟件進行直接對齊操作，控制對齊精度在10mm 左右，為提升三維激光掃描測量的精度，在本次測區(qū)地形測量中，采取了設(shè)置控制點的方法來提升對齊的精度，在掃描重疊區(qū)域，設(shè)置掃描儀來識別帶有三維坐標的數(shù)據(jù)進行控制，再用PolyWorks 軟件對齊時，加入控制點坐標信息，對齊精度可提升到5mm，從而更好的提升礦山測量精度。

第二，保證坐標一致性。在應(yīng)用三維激光掃描測量技術(shù)進行礦山地形測量中，所用到的坐標系，都是以掃描儀為中心建立起來的，為保證測量進度，就需要通過坐標轉(zhuǎn)換的方法，將每個獨立的坐標系，轉(zhuǎn)移到統(tǒng)一的坐標系中。通過布設(shè)公共控制點的方法，利用PolyWorks 軟件就能實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)坐標一致性轉(zhuǎn)換。

第三，輸出測量成果。當(dāng)三維激光掃描測量技術(shù)得到點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過PolyWorks 軟件處理之后，可按照實際需求，輸出多種地形圖測量成果，既可以是三維坐標數(shù)據(jù)，也可以是掃描對象的三維模型?？梢蕴峁┴S富的接口功能，用戶可以根據(jù)自己的需求，選擇想要的成果輸出。

4 三維激光掃描測量技術(shù)在礦山領(lǐng)域中的應(yīng)用方向

4.1 建立數(shù)字化礦山

利用三維激光掃描測量技術(shù)可對礦山地形地貌、建筑、設(shè)施等進行全面系統(tǒng)的掃描，測量得到的點云數(shù)據(jù)，可用于建立數(shù)字化礦山模型。將礦山所有的信息和數(shù)據(jù)，全部匯總到一個模型和平臺上進行統(tǒng)一管理，集中處理。礦山管理單位可通過三維激光掃描測量技術(shù)建立去模型，獲得礦山每個區(qū)域的實際情況和相關(guān)屬性，并建立起模型的索引目錄，在具體使用中，通過索引目錄，就能快速跳轉(zhuǎn)到自己所需的模型中，進行三維、立體、可視化的瀏覽和屬性查詢，實現(xiàn)對礦山的數(shù)字化管理，提升礦山開采效率，保證開采的安全性，獲得更大的經(jīng)濟效益。

4.2 礦山Web點云的瀏覽和計算

利用三維激光掃描測量技術(shù)可獲得礦山的全部點云數(shù)據(jù)，再配合數(shù)碼相機采集礦山的紋理信息，這些新數(shù)據(jù)全部輸入到后臺處理軟件中，就能自動形成礦山的Web 點云。Web 點云可通過計算機瀏覽器或者是智能手機瀏覽器就能登錄，實時查看礦山的三維空間展示情況。和傳統(tǒng)的流量查詢方式相比，Web點云最大的優(yōu)勢是不僅僅可以全面展示礦區(qū)的三維數(shù)據(jù)，而且還具有礦山的實景顏色信息。礦山管理人員和生產(chǎn)人員，通過移動網(wǎng)絡(luò)就能實時瀏覽礦山的各種實景信息，并通過點擊單個測站360°無死角的瀏覽該測站的全部點云數(shù)據(jù)。此外，Web 點云還具有精確的量算功能，且量算的結(jié)果準度非常高，通過礦山Web 點云，可讓礦山管理人員準確度掌握礦山的每個細節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)化實時管控。

4.3 精確統(tǒng)計礦山開挖體積

利用三維激光掃描測量技術(shù)對礦山地形進行定期全面測量，就能及時獲得每一起的數(shù)據(jù)模型，將多期數(shù)據(jù)模型進行相互疊加，不僅可以顯示礦山各變化部分的實際情況，而且還能準確計算出各階段的實際開挖體積，為制定礦山開采計劃和管理方案提供真實的數(shù)據(jù)支持。此外，基于礦山的數(shù)字化模型，還能實現(xiàn)多種模擬分析計算，最常用的就是模擬開采計劃，從而更加科學(xué)合理的指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

4.4 對采空區(qū)進行數(shù)字化治理

礦山開采之后會形成大面積的采空區(qū)，如果處理不當(dāng)，會埋下安全隱患，不僅會破壞礦山區(qū)域的地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境，而且不利于保證礦山開采人員的人身安全，影響礦山的正常生產(chǎn)經(jīng)營。采空區(qū)治理長期以來都礦山行業(yè)治理的重難點，利用三維激光掃描測量技術(shù)，可快速準確的獲得采空區(qū)的形態(tài)、大小、邊界等數(shù)據(jù)，從而制定出控制合理的治理方案和措施，以降低采空區(qū)的危害。而且三維激光掃描測量技術(shù)屬于一種非接觸式測量技術(shù)，非常適合探測礦山采空區(qū)，可準確定位采空區(qū)的位置、分布情況、貫通關(guān)系等。利用三維激光掃描測量技術(shù)得到的點云數(shù)據(jù)，可建立起采空區(qū)的數(shù)字模型，實現(xiàn)對采空區(qū)體積、頂板面積、實際邊界的可視化、實時化分析和計算。為數(shù)字礦山建設(shè)提供真實有效的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。礦山地形地貌通常比較復(fù)雜，測量難度大，采用三維激光掃描測量技術(shù)可進行精確評定，測距量程在83m 以上，測距精度誤差范圍在±3cm 之間，具有很高的精度，應(yīng)用效果顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，礦山地形測量難度非常大，且對測量數(shù)據(jù)的精度有嚴格要求，早起全站儀測量方法或者航空攝影測量方法，在礦山地形測量中應(yīng)用時，都有很大的局限性。而三維激光掃描測量技術(shù)具有速度快、細致、精度高等優(yōu)勢，應(yīng)用到礦山地形測量中，可有效解決礦山地形地貌復(fù)雜，數(shù)據(jù)精度要求高的問題。而且可大大降低外業(yè)作業(yè)量，保證礦山地形測量任務(wù)能夠更加高效、安全、有序的開展。非常契合目前我國礦山事業(yè)發(fā)展的需要，值得大范圍推廣應(yīng)用。