三維激光掃描測量在露天礦山地質環境治理中的應用

殷齊魯

（濟寧市不動產登記中心，山東 濟寧 272000）

由于露天礦山無序開采，帶來了一系列的礦山地質環境問題，如破壞土地資源、污染礦區環境、引發地質災害等。進行礦山地質環境治理時，需要測量高精度的地形圖，為工作量計算、規劃設計等提供依據[1]。由于礦區的無序開發利用，地形一般比較負責，部分區域形成陡崖，難以抵達，且具有一定的危險性，測量難度極大，使用傳統的測量方法難以滿足要求[2,3]。隨著三維激光掃描技術的快速發展和不斷成熟，其在露天礦山地質環境治理測繪中的應用越來越廣泛。

1 三維激光掃描測量的原理

三維激光掃描測繪的實質是激光測距技術，測量的過程中，根據預先確定的掃描范圍和設定的點云密度，使用掃描鏡和伺服馬達依次獲取測量目標表面上點的三維坐標，從而完成測量工作，具有測量精度高、速度快、無接觸、高密度的特點[4]。目前三維激光掃描測量技術受到科技研發和數據采集人員的高度評價，已經在建筑物竣工測量、地形圖測繪、三維建模、土方量計算、道路工程測量、古建筑測量等領域得到了廣泛的應用。

三維激光掃描測繪實質上是利用掃描鏡和伺服馬達不斷重復的進行數據采集的過程，從獲取掃描反射接收的激光強度對掃描點進行顏色灰度的匹配[5]。三維激光掃描儀直接采集的采樣點是局部坐標，具體見圖1。如圖1所示，掃描儀的內部為坐標原點，X、Y軸在局部坐標系的水平面上，Y軸為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向。則P點的坐標（Xs、Ys、Zs）計算方法見下式。

圖1 三維激光掃描測量原理圖

在實際應用中，可以將系統局部坐標轉換為測繪工作使用的坐標系。

本項目使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，儀器精度指標與性能見表1。

表1 三維激光掃描儀參數指標

2 三維激光掃描測量流程

2.1 三維激光掃描外業數據采集

在露天礦山地質環境治理測繪中，根據測區的實際情況，選擇使用基于標靶的點云數據采集方法。并選擇合適的測點和標靶，設置掃描點云采樣密度、最大測量范圍等參數。實際測量中，可以在通視條件相對較好的位置布設反射標靶，在任意位置進行露天礦山地質環境治理三維激光掃描時，同一測站必須同時掃描到三個及以上標靶[6]。掃描結束后，對標靶進行精確掃描，獲取標靶的精確幾何坐標。最后，利用SDCORS-RTK測量標靶的大地坐標，將獲取的點云數據轉換到大地坐標系下[7]。

使用三維激光掃描測量時，需要注意檢查測量范圍不能遺漏，設置標靶時盡可能均勻分布，標靶離三維激光掃描儀的距離要適中，且需要拍攝掃描范圍的照片[8]。

2.2 三維激光掃描內業數據處理

三維激光掃描內業數據處理主要包括點云配準、不同測站點云數據的拼接、點云數據的降噪和精簡、數據處理與建模、地形圖繪制等工作[9]。

首先進行點云配準，利用精掃的標靶點幾何坐標，將獲取的點云數據配準到同一坐標系中，并進行調整平差；然后進行測站拼接，利用標靶拼接功能進行點云拼接，見圖2；點云濾波主要包括點云噪點剔除、植被剔除及點云密度抽稀等；最后進行建模，得到DEM數據，見圖3，并通過繪圖得到露天礦區地形圖。

圖2 測站拼接后的點云數據

圖3 三維激光掃描獲取的DEM數據

2.3 精度檢核與分析

使用SDCORS-RTK檢核三維激光掃描露天礦山地質環境治理測繪成果的精度，并進行統計分析，共計檢核220點，見表2。

表2 標靶平面精度統計表

可以看出，三維激光掃描技術可以滿足露天礦山地質環境治理測繪的精度要求。

3 結論

在露天礦山地質環境治理測繪項目中，采用三維激光掃描技術，使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，順利獲取了工作區范圍的點云數據，經過點云配準、不同測站點云數據的拼接、點云數據的降噪和精簡、數據處理與建模、地形圖繪制等工作，為礦山地質環境治理提供了基礎的測繪數據，極大的方便了治理和設計工作。隨著點云數據處理自動化程度的提高，地面三維激光掃描將會得到更加廣泛的應用。