三維激光掃描儀在礦山地形測量中的應用及精度分析

陳 玲

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆 烏魯木齊 830091）

三維激光掃描技術作為一種先進的測繪技術手段，在礦山地形測量工作當中，是以非接觸方式來對礦山地形以及復雜的環境條件、空間信息進行快速的掃描和測量，來有效獲取相關信息數據，不僅大幅提高了測量效率和質量，而且還能自動化存儲相關數據，并結合實際要求進行計算，獲取相應點云數據，通過計算機分析處理點云數據之后，能夠及時迅速的完成三維模型構建，大幅提高了礦山地形測量的精準性與可靠性，為礦山地形測量工作帶來了巨大便利。

1 三維激光掃描技術相關概述

三維激光掃描技術可以對空間數據信息快速獲取，而且精準化程度較高，測量工作開展過程當中不需要對測量物進行直接接觸，在很多領域當中發揮的作用越發重要起來[1]。尤其是在礦山地形測量工作當中近些年來，應用普及率越來越高，成為開展礦山地形測量工作全新的技術手段。

2 三維激光掃描系統

由于三維激光掃描儀由于不同的掃描平臺，又有地面激光掃描系統以及機載激光掃描系統和手持激光掃描系統之分。激光掃描儀以及掃描儀旋轉平臺、數碼相機和電源、軟件控制平臺相關附件共同組成地面三維激光掃描系統。

2.1 地面型三維激光掃描原理

此項技術手段是基于無反射激光棱鏡長距離快速測距技術以及空間點陣掃描技術基礎上發展起來的重要測繪技術手段，這種測繪技術手段在測量工作當中不需要與測繪對象直接的進行接觸，能夠廣泛的對空間三維信息進行高密度獲取。測量工作當中，掃描儀發射器將激光脈沖信號發出之后，通過物體對信號進行漫反射，并隨著相同的路徑向接收器傳回。能夠對目標點P和掃描儀中心距離開展相應的計算工作，時鐘控制編碼器能夠對各個橫向激光脈沖掃描角度觀測值開展同步測量，并測量掃描角度縱向觀測值。通過定位角度進行分析，相較于傳統全站儀測量技術手段，三維激光掃描技術與之基本相同，測量工作當中運用激光三角法，基于儀器這一坐標原點（O）中心，借助測距（S）以及測角（θ，α）對目標和原點相對的P（x，y，z）三維坐標進行解算，并利用平移坐標系以及旋轉，來對各種坐標系統地理坐標進行獲取[2]。但兩種測量技術手段也有很大不同，運用地面三維激光掃描技術進行測量工作過程當中，不僅具有很高的精度而且還有很高的自動化程度，可以更加及時全面的對相關數據進行獲取。

2.2 地面型三維激光掃描技術的特點

①非接觸測量：該技術在測量過程當中，是進行非接觸掃描方式進行測量，不需要反射棱鏡，也不需要處理測量物體表面，可以對物體表面信息數據直接采取，能夠真實的采集相關數據，能夠有效應對不利環境以及一些危險目標，工作人員難以企及的問題，這是過去傳統測量方法是很難達到的。②具有很高的分辨率與高精度：三維激光掃描技術測量工作當中，不僅精度高，而且效率也非常高，能夠對所測物體表面豐富的點云數據快速獲取，并能在測點間距為0.1m～2.0m條件下，這一所測目標三維數據高密度的獲取，所以分辨率非常的高。③可以高效率地開展數據采樣工作：運用時間激光或者脈沖激光三維激光掃描儀器設備，能夠在數千點/秒效率下完成采樣工作，而三維激光掃描儀器運用相位激光開展測量工作，其測量效率在數十萬點/秒水平范圍，相較于傳統測量手段，數據采樣效率非常之高。④效率高：三維激光掃描技術運用高速非接觸式激光測量方式，通過點云方式對地面陣列式幾何圖形數據快速的獲取，相較于普通工程測量其優勢非常的突出，能夠高效率的開展測量工作。

2.3 地面型三維激光掃描技術的數據處理

點云數據通過三維激光掃描技術手段進行獲取定對實體三維幾何模型進行構建，在應用對象的不同以及點云數據特性不同，數據處理過程當中運用三維激光掃描進行處理，也有著不同的方法。概括進行分析。處理的整個過程主要涉及以下幾個方面：如去除相應的噪聲、多視對齊，精簡相關數據，重構曲面。重建模型需要以采集數據開始，處理數據才能將點云數據進行精選重建模型，控制和減少重建模型的復雜程度，保證更加高效精準的重構模型。具體應用過程當中，結合三維激光掃描儀器設備具有的特點和建模工作開展需求，對相應的處理方法及其策略科學選擇。

（1）去除噪聲。是將點云數據內，存在錯誤的一些信息數據給去除，受不良環境影響還有一些特殊因素影響，如設備方面的問題或者行人、樹木等因素影響，導致三維激光掃描儀在掃描過程當中采集到，影響地貌真實情況，這就需要將其去除。

（2）多視對齊，測量物體大而復雜，測量工作當中難以一次完成，需要通過各個視角開展測量工作，這就需要多視對齊，為了確保精度要求，開展不同視角掃描工作當中，應當確保相應區域具備一定重疊度，控制網統一構建，確保同一坐標系當中獲得相應的掃描數據，保證拼接精度。

（3）數據精簡，海量獲取的點云數據，在確保精度，不對曲面重構造成影響的前提下，應當有效的精簡數據，運用的經典方式主要包括以下幾點，通過平均方式進行精簡，或者通過距離進行精簡。

（4）曲面重構，是為了將掃描目標真實情況充分體現出來，應當對掃描數據曲面準確的進行表示。結合曲面重構不同的表現形式，又有離散重構與函數重構之分。

3 三維激光在礦山地形測量中的應用

3.1 基本流程和軟件開發

（1）基本流程。礦山地形綜合測量工作當中，運用三維激光掃描手段開展測量，具體步驟參見圖1：首先實施野外測量工作，同時整理分析相應資料，之后快速的進行成圖，在野外測量工作當中，主要涉及操作激光掃描儀器設備，對反射片合理設置，通過GPS技術高效的開展測量工作。分析整理相應資料主要涉及轉換坐標，自動過濾非地面點，構建dDEM，保證及時的進行成圖。

圖1 工作流程簡圖

（2）軟件開發。為了高效的處理相關數據，達到及時成圖的效果，便可通過IDL工具對數據信息處理編制相應的軟件，LIDARVIEW。IDL能夠直接面向矩陣，具有非常簡單的語法，編程可視化，可以應用于很多領域，讀取與計算包含數據，開展三維建模。由于該編程語言直接面向矩陣，因此能夠及時的分析處理相應數據，這對于三維激光掃描技術應用發揮著非常重要的作用。另外，在復雜計算工作當中，該軟件還能將一些計算模塊兒額外的提供出來，使其計算精確度及其效率大幅增強。

3.2 三維激光掃描在某礦山地形測量中的應用

（1）獲取野外資料。某礦山達到8000m2總面積大小，約有6000m2面積大小的礦坑，采石場人為因素所形成，不僅具有非常大的面積，而且也有著十分復雜的地形，植被分布稀少。結合礦區實際運用三維激光掃描技術開展礦山地形測量工作，為了確保測量工作的穩步推進，設置兩人進行野外數據獲取，持續進行2d工作，結合礦山總面積開展掃描工作，野外測量工作開展過程當中，共進行19個站掃描，獲得的精度應當在±5cm水平，坐標共獲取三十余萬多個，進行單站測量工作當中，共對五個觀測反射片進行設置，同時運用GPS對中心點相應的大地坐標進行獲取。

（2）整理分析數據，繪制地形圖。經三維掃描獲取的激光點云數據輸入到LIDARVIEW中，并通過該軟件實施坐標轉換，并開展多站拼接工作，過濾掉一些非地面點，將地表數據進行獲取，對礦山高線圖進行生成，并獲取DEM，數據通過室內進行處理，時間需要1h左右的消耗。

4 精度評價

此項目開展過程當中，運用三維激光掃描技術來完成，分析處理測量獲得的成果，并評價其測量精度，評價精度過程當中主要運用相對以及絕對兩個方面開展精度評價。評價相對精度過程當中，基于礦山地形圖信息資料基礎上，光掃描技術在礦山地形測量方面的應用精度進行評價。評價礦山地形圖測量工作當中，三維激光掃描技術絕對應用精度過程當中，隨機將兩處區域進行選取，采取研究區域實地點位，并對比測圖成果，對點位當中的誤差進行計算，獲取相應的絕對精度，通過研究了解到，借助三維激光掃描技術進行礦山地形測量，其精度符合相關要求。

5 結語

綜上所述，文中結合實踐對礦山地形測量工作當中三維激光掃描技術的應用及其精度分析，針對礦山測量工作當中三維激光掃描技術應用，提出相應的測量流程以及方法。并針對三維激光掃描技術，礦山測量工作當中數據分析方面的重難點，將處理激光掃描數據專業軟件給設計出，即LIDARVIEW，借助這一軟件進行數據處理，并與激光點云數據充分結合，將礦山地形圖精準繪制出，完全符合相關精度要求，取得了較好的應用效果。