三維激光掃描測量技術在礦山地形測量中的應用研究

王鵬飛

在我國社會經濟高速發展的大環境下，對礦產資源的需求量越來越多，在礦山測量和開采中，采取先進的技術和管理理念，已經成為發展新趨勢。在礦山地形測量中應用三維激光掃描測量技術，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、數字化礦山。三維激光掃描測量技術是一種先進的非接觸式測量技術，手段地形地貌、氣候條件、植物樹木的影響比較小，可對測量區域進行快速準確的掃描和測量，測量到的數據可實時上傳和存儲，再通過相應的軟件技術，就能快速建立起礦山三維模型，為礦山勘查、礦產資源開采提供真實有效的數據支持和理論參考?；诖?，開展三維激光掃描測量技術在礦山地形測量中的應用研究就顯得尤為必要。

1 三維激光掃描測量技術的工作原理和優勢

1.1 工作原理

三維激光掃描測量技術的工作原理為通過激光發射器發出一個激光脈沖信號，發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據分析軟件，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可獲得被測物體的三維坐標，其中X 軸布設在橫向掃描內，Y 軸也布設在橫向掃描內和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 優勢

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

第一，測量速度飛快。通過三維激光掃描測量技術可獲得測區地物和地形地貌的立體信息，點云數據采集速度非常高。和傳統經緯儀地形測量方法，大大減少了野外作業量，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是以激光脈沖的方法來對測區地形進行測量的，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據。既能實現對測區地形的數據實時采集，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，可實現動態化全天候地形測量。

第三，安全系數高。地形圖繪制具有很強的復雜性，需要全面了解和掌握測區的地形地貌、山溝河谷、建筑、林地、道路等。傳統測量中需要進行大量的野外作業，不但工作量大，而且需要跋山涉水，蛇蟲鼠蟻的影響比較大，存在很多安全風險。而采用三維激光掃描測量技術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備，就能完成復雜、未知危險點的測量，保證了地形測量的安全性。

第四，數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，可自動顯示和輸出導入各種數據，具有良好的點云數據處理和三維建模處理功能。再借助先進的計算機軟件系統，就能實現對測量數據的實時分析和更新，大大提升了地形測量數據的共享效率和利用率。

2 三維激光掃描測量技術在礦山地形測量中的應用要點分析

2.1 案例分析

某礦山工程，位于地形地貌復雜多變的山區，交通不便，溝壑傾角大，航空攝影難以獲得測區全面。測區最低高程為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，測區總面積為12.52km2，多為巖石地質。其中北側地形起伏較大，存在大量的沖溝和陡梁，樹木茂盛，亂石眾多。測區環面兩側地勢稍微平坦，南部為盆地，遮擋嚴重?？傮w來看，該礦山所在區域地形復雜，測量難度大，為保證測量的精度和質量，采用三維激光掃描測量技術，取得了良好效果，值得類似礦山地形測量中大量推廣應用。

2.2 設備選型

在應用三維激光掃描測量技術時，設備選擇是非常重要的一個環節，如果所選擇的設備性能和參數，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據集中存儲治三維激光掃描儀中，掃描測量數據包括：地面點三維空間坐標、激光回波強度等。由于測區面積比較大，在測點選擇時，采取了任意設站法，但需要在每個車站上布設不少于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。各感光片都通過GPS RTK 技術進行測量，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，為后期數據核對和拼接提供良好條件。本測區規模大，為保證地形測量的準確性和全面性，共布設了240 個測站，成圖35 幅，測量時間約50h，數據采集平均速度為300000 點/s，三維激光掃描測量技術可為此種地形地貌復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 點云數據的采集

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據，通過如下流程來獲得點云數據。

第一步，前期準備和設站。通過現場勘查和實地調研，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，架設三維激光掃描測量設備，并進行調整、對準、調平，其中電源開關，對各設備和部件進行檢驗，確認達標之后再進行掃描測量。

第二步，設置和連接網絡。當三維激光掃描測量設備安裝調試完成之后，通過專用的連接線路，將計算機和三維激光掃描測量設備連接到一起，打開Cyclone 軟件，創建一個測區數據庫和工程項目，并執行Scanner Connect 進行網絡連接。

第三步，拍照。執行get image 命令，三維激光掃描測量儀器就自動旋轉起來進行測量拍照，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，掃描設置和獲取點云數據。按照實際需求，設置掃描主距、掃描精度、掃描范圍、標靶類型、后視定向等。在獲取點云數據時，要通過執行SCAN 命令，就能獲得測區內的全部點云數據。

2.4 數據處理

數據處理是三維激光掃描測量技術應用的工序之一，其處理效果直接關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據進行處理，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測量礦山地形時，受到設備精度、測點布設、操作人員工作經驗、被測物體表面質量、環境等因素的影響，獲得的點云數據必然存在一定的噪聲點，這就需要在電源數據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據，都是基于該測站點的坐標數據，這就需要通過匹配拼接的方法來獲得完整的礦山地形數據。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。本測區三維激光掃描測量中，每臺測量儀器都架設在控制點上，并進行了定向處理，所得到的點云數據也都是基于相同坐標系下的數據，可將各控制點數據全部導入到Cyclone 軟件中，然后自動添加約束條件來完成測量數據的匹配拼接。點云拼接精度為0.0.3m，坐標轉化精度為0.035m，坐標轉化容差為0.1m，符合本測區對繪制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據進行精確匹配，再按照相應的紋理信息進行人工提取?；蛘呤峭ㄟ^地面三維激光掃描，對掃描的結果進行處理提取。本測區采取了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、復雜的地面信息，用三維激光掃描測量技術難以準確獲得，因為三維激光掃描測量技術掃描的密度比較大，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來構建三角網追蹤等高線，受到地面繁瑣細節信息的影響，致使等高線混亂不堪。所以，當三維激光掃描測量技術采集到的點云數據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的變動和調整，最后得到相關數據，輸入到大比例尺測圖軟件中，自動形成測區等高線。

2.7 地形圖編輯

地形圖編輯是三維激光掃描測量技術在礦山地形測量的最后一道工序，其編輯效果直接關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。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據的刪除而影響等高線，致使等高線出現殘缺、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據，并參照照片內容的實際情況，適當添加高層標記，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應用效果的方法

雖然三維激光掃描測量技術在測量速度、質量、準確、自動化、數字化等方面有顯著優勢，但在具體應用中，為提升應用效果，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，相互連接區域的重疊度不應小于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，在本次測區地形測量中，采取了設置控制點的方法來提升對齊的精度，在掃描重疊區域，設置掃描儀來識別帶有三維坐標的數據進行控制，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。在應用三維激光掃描測量技術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，就需要通過坐標轉換的方法，將每個獨立的坐標系，轉移到統一的坐標系中。通過布設公共控制點的方法，利用PolyWorks 軟件就能實現點云數據坐標一致性轉換。

第三，輸出測量成果。當三維激光掃描測量技術得到點云數據，經過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據，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在礦山領域中的應用方向

4.1 建立數字化礦山

利用三維激光掃描測量技術可對礦山地形地貌、建筑、設施等進行全面系統的掃描，測量得到的點云數據，可用于建立數字化礦山模型。將礦山所有的信息和數據，全部匯總到一個模型和平臺上進行統一管理，集中處理。礦山管理單位可通過三維激光掃描測量技術建立去模型，獲得礦山每個區域的實際情況和相關屬性，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，實現對礦山的數字化管理，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可獲得礦山的全部點云數據，再配合數碼相機采集礦山的紋理信息，這些新數據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。和傳統的流量查詢方式相比，Web點云最大的優勢是不僅僅可以全面展示礦區的三維數據，而且還具有礦山的實景顏色信息。礦山管理人員和生產人員，通過移動網絡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據。此外，Web 點云還具有精確的量算功能，且量算的結果準度非常高，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，實現動態化實時管控。

4.3 精確統計礦山開挖體積

利用三維激光掃描測量技術對礦山地形進行定期全面測量，就能及時獲得每一起的數據模型，將多期數據模型進行相互疊加，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據支持。此外，基于礦山的數字化模型，還能實現多種模擬分析計算，最常用的就是模擬開采計劃，從而更加科學合理的指導礦山生產。

4.4 對采空區進行數字化治理

礦山開采之后會形成大面積的采空區，如果處理不當，會埋下安全隱患，不僅會破壞礦山區域的地質條件和生態環境，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經營。采空區治理長期以來都礦山行業治理的重難點，利用三維激光掃描測量技術，可快速準確的獲得采空區的形態、大小、邊界等數據，從而制定出控制合理的治理方案和措施，以降低采空區的危害。而且三維激光掃描測量技術屬于一種非接觸式測量技術，非常適合探測礦山采空區，可準確定位采空區的位置、分布情況、貫通關系等。利用三維激光掃描測量技術得到的點云數據，可建立起采空區的數字模型，實現對采空區體積、頂板面積、實際邊界的可視化、實時化分析和計算。為數字礦山建設提供真實有效的數據支持和技術保障。礦山地形地貌通常比較復雜，測量難度大，采用三維激光掃描測量技術可進行精確評定，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，應用效果顯著。

5 結語

綜上所述，礦山地形測量難度非常大，且對測量數據的精度有嚴格要求，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用時，都有很大的局限性。而三維激光掃描測量技術具有速度快、細致、精度高等優勢，應用到礦山地形測量中，可有效解決礦山地形地貌復雜，數據精度要求高的問題。而且可大大降低外業作業量，保證礦山地形測量任務能夠更加高效、安全、有序的開展。非常契合目前我國礦山事業發展的需要，值得大范圍推廣應用。