三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用分析

高潔純，張 軍

（江西省煤田地質局測繪大隊，江西 南昌 330001）

地形圖測繪工作具有較寬泛的應用范圍，不僅使用軍事、國土普查等領域，還是資源開發(fā)、城市規(guī)劃、公路修建等密切相關。

傳統(tǒng)的地形三維數據采集在地形圖測繪過程中所需時間長，且地形復雜區(qū)域存在采點困難、效率低等弊端。三維激光掃描技術以高精度逆向三維建模以及重構技術為基礎，通過獲得測繪區(qū)域的三維坐標數據和照片，進而建立實體或實景的三維立體信息，經過重構三維數據模型處理，快速的提取測繪區(qū)域的地形信息[1，2]。因此，三維激光掃描技術在測繪領域具有廣泛的應用，逐漸應用與地表形變監(jiān)測、三維立體建模、地形測繪、虛擬現實等領域[3]。本文以某礦區(qū)大比例尺地形圖測繪為例，分析了三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用方法。

1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是繼GPS技術以來又一新突破的測繪技術，由三維激光掃描儀為主體的現代化測繪技術，由內置數碼相機、附屬設備、后處理軟件、電源等組成[1]。三維激光掃描技術的工作原理可以表述為：激光二極管發(fā)射周期性的激光脈沖，由接收透鏡接收目標表面的反射信號后形成相應的接收信號，利用發(fā)射與接收反射信號的時間差計算掃描儀的測距S，同時將掃描儀鏡頭在水平方向和垂直方向上的觀測角度值標記為φ和θ，被測點極為P，則被測點的三維坐標為P（x，y，z）的計算公式為：

根據上述計算公式，就可以獲得被測點P的三維坐標。三維激光掃描技術就是利用掃描儀對測繪區(qū)域進行全方位掃描工作，對掃描后的數據進行整理，獲得測繪區(qū)域的點云數據，進而提取三維空間坐標，生成相應的地形圖（圖1）。

圖1 三維激光掃描技術在大比例尺地形測繪中的應用流程示意圖

2 數據采集與處理

2.1 外業(yè)數據采集

本次礦山測繪以HDS ScanStation C10三維激光掃描儀為測繪儀器，該儀器的最大掃描距離為300m，掃描精度隨著掃描距離的增長而逐漸降低。因此，為了提高本次礦山地形圖測繪精度能夠滿足大比例尺的基本要求和提高測繪效率[1]。在進行外業(yè)數據采集之前對測繪區(qū)域進行踏勘，確定掃描儀和標靶的合理位置，并根據測繪區(qū)域面積對測繪區(qū)域進行分塊，可有效的提高測繪精度。在確定掃描儀和標靶位置時，既要考慮掃描儀能夠覆蓋測繪區(qū)域，盡可能的避免測繪盲區(qū)的出現，還要盡量選擇較少的測站，提高外業(yè)數據采集的效率[2]。在每個測站完成掃描后要及時核查掃描數據質量能否滿足基本需求，若不滿足，要及時進行重測，確保最終的掃描數據質量均滿足相應比例尺的基本要求。

2.2 點云數據配準與坐標轉換

利用激光三維掃描技術繪制大比例尺地形過程中，因受到掃描儀有效距離，測繪區(qū)域地形地貌等綜合因素的影響，使得在測繪區(qū)域內進行多次測站的轉移才能完成相應的測繪任務，導致所獲得每一站點的點云數據都為掃描儀內部定義的坐標系統(tǒng)[3]。因此，為了獲得礦山測繪區(qū)域內部數據坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，必需將各個獨立的站點坐標統(tǒng)一至同一坐標系統(tǒng)下。在獨立坐標系統(tǒng)同一過程中，為了不影響最終與大地坐標轉換時的精度，可以將每個站點的掃描點云數據同一至某一測站的局部坐標系統(tǒng)下，即利用相鄰兩個站點之間的3個或以上的同名控制標靶，也就是點云數據的配準。

點云數據的配準方式有相對方式和絕對方式兩種，前者是以某一測站的坐標系統(tǒng)為基準，將其余測站的數據坐標同一至該測站坐標系統(tǒng)下，該種方法在配準過程中不同測站之間需要至少3個以上的同名標靶才能完成數據的配準，該種配準方式隨著測站數量的增多，使得傳遞誤差逐漸增大；后者是將掃描儀與常規(guī)測量儀器相結合，即使用其他測量儀器獲得每一測站的坐標和標靶坐標，即直接獲得目標點的絕對坐標，再將各測站的坐標轉換至絕對坐標系統(tǒng)中，該種方法不存在傳遞誤差，其最終精度較為均勻。因此，本文在點云數據配準過程中利用全站儀獲得絕對坐標，進而進行相應的配準。

2.3 信息提取與等高線生成

三維激光掃描技術在掃描獲取礦山測繪區(qū)域的點云數據時包含了區(qū)域內地表的所有信息，即點云數據不僅包含了礦山測繪區(qū)域的地形信息，還包含了樹木、植被、電線桿、房屋等信息，并且含有大量的噪聲。因此，對于非地形信息的過濾、剔除是提高地形測繪質量的重要手段。本文選用Cyclone軟件進行非地形、地物數據的過濾和剔除工作。在完成非地形、地物信息剔除后，在CASS軟件中按照一定的等高間距手動提取測繪區(qū)域內的高程點數據，并點擊自動生成等高線。將生成的等高線圖形與地物圖相疊加進行編輯加工處理，處理等高線局部缺失、扭曲、不光滑等問題，需結合掃描照片對比手動修改，最后添加高程注記點，制作標準圖框，進行地形圖的整飾。

3 結語

三維激光掃描技術能夠快速、精細的獲得礦山大比例尺地形圖，所獲點云數據包含了地表所有信息，與傳統(tǒng)的測繪技術相比，顯著的提高了外業(yè)采集數據的效率，將難點轉移至內業(yè)點云數據的處理方面。截至目前，三維激光掃描技術在礦山大比例尺地形圖測繪中尚未形成一套完整有效的點云數據處理并生產高精度地形圖的方法，需借助其他軟件配合使用完成最終的地形圖。因此，三維激光掃描技術在礦山測繪領域中還需加強點云數據處理等技術的研究工作，為該技術的進一步發(fā)展奠定基礎。