三維激光掃描自動化監測系統在鞍山市東鞍山鐵礦環境治理中的應用

于波

摘? ? 要： 近年來，受采礦活動影響而產生的地質環境破壞現象頻繁，地質災害貧發，礦山地質環境治理工作受到各級政府及有關部門的高度重視。礦山斜坡上的土體或巖體不穩，在重力或自然因素作用下滑動，造成滑坡、泥石流、崩塌等地質災害，嚴重威脅人民生命財產安全，所以對地質災害的研究和環境治理成為當務之急。但現有技術方式調查工作費時、費力，同時存在調查人員的人身安全問題，受工作環境影響較大。三維激光掃描自動化監測系統對東鞍山鐵礦邊坡進行監測，有效的反應出邊坡的整體移動情況，進行無接觸的大范圍的掃描，預測地質災害的變形趨勢和未來量大小。

關鍵詞：三維激光掃描儀;自動化監測系統;三維模型

1? 前言

鞍山市東鞍山鐵礦前峪尾礦庫排巖場地質環境治理項目區總面積為144.65畝， 項目區內地質環境問題主要包括地質災害和生態環境破壞兩方面。該排巖場從1958年開始排巖運行，形成整體近于自然穩定的填土邊坡，但在雨季及春季冰雪融化之際，時有表層滑塌發生。據了解斜坡坡腳處經常取料，斜坡滑塌規模逐步增大，局部處于欠穩定狀態，嚴重威脅周邊人員人身安全。采用三維激光掃描自動化監測系統對東鞍山鐵礦邊坡進行監測，有效的反應出邊坡的整體移動情況，保證人民生命財產安全。

2? 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀通過對形變區域進行周期性掃描，對比不同層次的三維信息進行形變監測。將基于三維激光掃描儀的地質災害地面形變監測分為現場勘查、數據采集、成果輸出與分析比對3個主要步驟。

（1）現場勘查-根據監測區域概括、要求等進行現場勘查，確定采集設備及安裝位置和作業方式。

（2）數據采集-抗干擾、自動化、全天候在線采集傳輸。

（3）點云處理-點云數據進行粗差剔除、旋轉對齊、多視拼接等操作。

三維激光掃描自動化監測系統從傳統的單點測量發展到面測量，高精度，高密度，高速度獲取被監測區域形變細節及整體形變趨勢，克服了單點式監測中監測點數少、難以發現無監測點區域的形變情況以及監測點一旦破壞將嚴重影響資料連續性等問題。

（1）區域進行周期性掃描，對比不同層次的三維信息進行形變監測

（2）點云數據進行粗差剔除、旋轉對齊、多視拼接操作

（3）通過監測點的變形信息以及特定區域的土方量的變化進行分析，預測地質災害的變形趨勢和未來量大小。

3? 自動化監測

三維激光掃描技術是上世紀末興起的一門新興測繪技術，它通過高速激光掃描測量的方法，高分辨率地獲取被測對象表面的三維坐標數據，以逐點掃描的方式，真實再現所測物體的三維立體景觀。

全景影像數據具有形象的紋理和顏色信息，可以作為三維激光點云數據的紋理補充。將點云與全景影像數據進行配準，融合兩者信息，通過三維激光點云可以找到對應影像像素，進行點云著色，反之以全景影像作為展現載體，通過影像素坐標可以找到對應三維激光點云，進行地物量測，使兩種數據產品擁有統一的坐標系統，相互空間關聯，一起可稱為影像點云數據。基于這種數據可以開發一種全景影像為前臺表現，以點云為后臺支撐的全新數字測圖與建模軟件，可直接利用全景影像進行地物判讀采集、測量、建模、直接進行三維紋理映射等，大大提高成果生產可視化的效果，便于判讀。

在地質環境監測中，對可能產生滑坡、泥石流、坍塌等災害的區域需要特別注意土方量的動態變化，對掃描所得的數據進行處理與分析，通過監測點的變形信息以及特定區域的土方量的變化進行分析，可預測地質災害的變形趨勢和未來量大小。與目前的傳統測量、攝影測量等測量方式相比，該技術有明顯的以下優點：

（1）數據采樣率高。傳統的測繪儀器很難采集高密度、高分辨率的海量點云數據。脈沖激光可以在數秒內采集上千個點，相位激光掃描儀可以達到上萬點，突破了單點模式，可以獲得更多的物體空間信息。

（2）精確度高。精度不但高于攝影測量中的解析點而且精度分布均勻，還可以避免表面近似誤差的問題。

（3）受外界影響小。通過自身發射的激光回波信號獲取目標的數據信息，白天黑夜都能夠作業操作，也不像傳統測量對溫度的要求較高。

（4）非接觸式測量。無需接觸目標，也不需要反射棱鏡，可以實現對危險目標和環境數據的采集。

（5）數字化采集，兼容性好。直接采集具有全數字特征的數字信號，后期的輸出、處理，保存、共享比較方便。

獲得兩期一定周期內的點云數據，分別計算基于同一基準面的區域土方量并進行比較，判斷是否有明顯的地質位移。由于點云數據具有非常好的面表征，可直接將兩期獲取的地質災害隱患點的三維模型進行疊加對比分析，計算兩個模型的體積偏差大小，生成偏差色譜圖，并與給定限差比較，可視化的手段可以明確地判別出各個區域的位移方向和精確的邊界范圍，對可能產生的地質災害進行明確的定位和維護。同時對兩個時期的GNSS監測數據進行對比，分析監測點的沉降狀況，對該地區的穩定性進行評估。

4? 發展前景

邊坡工程穩定性問題一直是礦山環境治理中的一項重要的研究內容，越來越受到研究人員的重視。監測工作是礦山環境治理施工的重要環節，能否由監測結果正確評價其穩定性，直接關系到建設資金的投入和人民的生命財產安全。對于礦山邊坡的地表移動變形，目前較多的是采用電子全站儀和GPS靜態定位技術進行觀測。但這些觀測方法都停留在對單個特征點的變形移動上，不能全面地概括出整個邊坡的移動變形情況，處理后的數據往往對邊坡的穩定性問題存在潛在的風險。三維激光掃描自動化監測系統對礦山邊坡的監測，能有效的反應出邊坡的整體移動情況，可以進行無接觸的大范圍的掃描，最終通過不同觀測時期的數據建立三維模型進行疊加對比分析，計算兩個模型的體積偏差大小，生成偏差色譜圖，預測地質災害的變形趨勢和未來量大小，具有重要的實用價值。

三維激光掃描自動化監測系統在礦山環境治理中，能夠全面反映整個邊坡的地表移動變形，且能獲得邊坡的地形、地貌和三維模型，為邊坡工程技術人員提供詳細的邊坡資料。傳統的全站儀和GPS觀測方法，費時、費力并存在作業人員的人身安全問題，同時在某些情況下還存在難以獲取令人滿意的結果。三維激光掃描可實現無接觸掃描，將三維激光掃描技術引入到巖土、地質工程等其他領域，在某些方面有著傳統方法難以比擬的優勢，獲取一些傳統方法難以獲得的結果，這種新技術的引入大大降低了調查人員的勞動強度，保證了作業人員的生命和財產安全，提高了工作效率，有廣闊的應用前景。

5? 結論

隨著三維激光掃描技術理論的不斷完善與發展，其勢必在礦山環境治理領域內引起新一輪的技術革新，基于三維激光掃描技術的環境監測也一定會得到廣泛的應用。我公司將三維激光掃描儀與傳感器設備集成自動化監測系統，根據監測目標本身特有的物理和化學特征，使得掃描儀能夠自動識別目標。這樣所采集到的數據不僅包含三維信息，同時還有目標本身的物理和化學信息，利用軟件能實現數據的實時處理，三維模型的實時構建與分析，從而達到智能化執行環境監測，智能化預警的目的，對保障人民生命和財產安全具有重要的意義。

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