三維激光掃描技術在露天礦山方量測算方面的應用

莫 豹，歐陽天云

（保利新聯爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002）

三維激光掃描技術[1-3]是目前國際上最先進的獲取地面空間多目標三維數據的長距離影像的測量技術，它將傳統測量系統的點測量擴展到面測量，它可以深入到復雜的現場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型、復雜實體的三維數據完整的采集到計算機中，進而快速重構出目標的三維模型及點、線、面、體等各種幾何數據，而且它所采集到的三維激光點云數據還可以進行多種后處理工作。新疆別斯庫都克露天煤礦以往的方量測算主要是通過RTK現場測點，然后將大量的單點數據導入到3DMine中，通過三角網法計算方量，礦山的三維模型亦是由此得到，但是測算數據的精度較低，嚴重制約于現場所測點的數量、點的密度以及重點位置測點的方位。而三維激光掃描技術在數據獲取上極為方便，可大大簡化數據的獲取流程，為方量測算提供了一種極為便捷的方式[4]。

1 設備簡介

FARO?Laser Scanner Focus3D X 330是一種精密的測量設備，可產生照片一般逼真的三維圖像，它具有高精度、高分辨率、高速獲取數據等特征，可通過內置觸摸屏進行直觀控制。

Focus3D X 330使用相位偏移技術測量距離。這意味著使用不同長度的等幅波對激光束進行調制。通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離。借助特殊的調制技術，HYPERMODULATIONTM可大幅提高調制信號的信噪比。之后，通過使用角度編碼器測量Focus3D X 330的鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的X、Y、Z坐標，同時使用距離測量對這些角度進行編碼。距離、垂直角度和水平角度組成極坐標(δ,α,β)，該坐標隨后會轉換為笛卡爾坐標（x,y,z）。掃描儀可覆蓋360°×300°的視野[5]。

2 數據獲取

三維激光掃描儀獲取數據主要是在RTK的配合下在現場對特定位置進行掃描，由于激光的直線傳播原理，為了更好的獲取待掃描區(qū)域的數據模型，避免因掃描對象的不規(guī)整而導致出現掃描空洞，一般配置多個站對目標對象實行環(huán)繞式覆蓋掃描，掃描完成將各個站的數據進行拼接，進而得到目標對象的三維點云模型[6]。

在激光掃描儀掃描測量之前，利用RTK獲取掃描區(qū)域內的四個點坐標，此四點不可共面，用于確定掃描儀在空間中的位置，為了方便后期各站點的掃描數據的配準，對每一個站點均需確定其空間位置。掃描儀的參數設定上根據現場情況和后期需求選定，比如是室內測量還是室外測量、長距離或者短距離、分辨率大小、是否獲取掃描對象的顏色等。為了更快的獲取掃描區(qū)域點云數據以及減少數據內存，可通過設定垂直和水平的測量角度，讓掃描儀只獲取待掃描區(qū)域的點云數據。數據獲取完畢便可通過自帶軟件進行后處理，得到掃描區(qū)域的三維點云模型。

3 數據后處理

獲取掃描數據后便可導入三維激光掃描儀自帶的數據處理軟件SCNCE進行后續(xù)處理，數據的后處理需要經過以下五個步驟：坐標轉換→自動拼接→裁剪、數據導出→轉換格式、形成dat文件。下面對各個步驟簡要概述。

3.1 坐標轉換

三維激光掃描儀所認可的用來確定站點空間位置的靶點的坐標順序為（E，N，H），即東坐標、北坐標、高程。而通過RTK獲取的坐標數據順序為（N，E，H），在EXCEL中需要先將該坐標的東坐標和北坐標位置互換。然后將靶點坐標數據拖入SCNCE軟件，進行后續(xù)自動拼接操作。

3.2 自動拼接

將RTK獲取的靶點坐標數據在群級別導入，打開各個站點的快速視圖，選取工具欄中的“標記棋盤板目標”，按順序標記視圖中的各個靶紙，將名稱與RTK點坐標一一對應，依次完成各個站點的操作。然后執(zhí)行操作→注冊→布置掃描→按手動目標強制對應→完成[7，8]。

3.3 裁剪、數據導出

完成各個站點的點云拼接后，便可對其進行剪裁，刪除掃描對象之外的點云數據，通過點選工具欄中的多邊形選擇器，在對應視圖中框選我們所要保留的點云數據，右鍵選擇刪除外部選擇，也可框選待刪除的點云數據，右鍵選擇刪除內部選擇，清除無用點云后效果見圖1。

圖1 點云效果圖

3.4 轉換格式形成dat文件

得到配準后的點云后導出掃描，選擇XYZ數據格式，由于通過激光掃描儀掃描的數據量較大，在方量測算允許的誤差范圍內對點云進行抽稀，在子樣本中對行、列進行設置，數值代表的是每幾行（列）只取一行（列）。將生成的XYZ點云數據導入EXCEL中，刪除代表點云顏色的數據，在坐標的前面插入序列，增加一個空格，保存該數據格式。在記事本中打開該文件，將空格替換為逗號，將xyz后綴改為dat后綴，即完成點云數據格式的設置，見圖2。

圖2 點云數據格式

4 導入CASS計算方量

打開南方CASS，在繪圖處理中選擇展野外測點點位，在正視圖中利用復合線框選出計算區(qū)域的邊界線，依次選擇工程應用→DTM法土方計算→根據坐標文件→點選計算區(qū)域邊界線→選擇導入的點云數據，輸入標高（例：本例待計算的平盤位于1228水平，平盤高度為12m，平場標高輸入1216），邊界采樣間距一般設為10m，該值越小，計算精度越高，點選確定之后便會自動計算方量[9-11]，結果如圖3所示。

圖3 方量計算結果

5 結論

（1）三維激光掃描技術是一種先進的在三維空間內獲取數據信息的技術手段，與傳統的工程測量方法相比，該技術能夠迅速的無接觸的獲取高精度和高密度的地物數據，有效的提高了工程測量的效率和精度。

（2）利用三維激光掃描技術獲取礦山的三維數據模型，在此基礎上進行方量測算，與傳統收方測算相比，大大簡化了數據獲取流程、提高了方量測算速度，計算的結果也較以往更為精確。

（3）目前，軟件對三維激光掃描儀的數據的處理效率較低，也制約了三維激光掃描技術的應用，隨著相關內業(yè)處理系統的發(fā)展和成熟，三維激光掃描技術將會迎來更大的應用前景。