三維激光掃描技術在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中的應用

趙晉睿，崔英良

（河北九華勘查測繪有限責任公司，河北 保定 073100）

隨著社會現代化信息化發展進程的加快，“數字城市”、“數字礦山”等理念相應而出，這就對大比例尺地形圖精度等提出了更高要求。如何在較短的周期內獲得精度更高的大比例尺地形圖成為建設“數字礦山”的基礎，也是礦山生產建設的基礎。傳統的地形三維數據采集以單點采集方式為主，如經緯儀、全站儀、GPS等。隨著科學技術的快速發展，逐漸以面采集為主，如三維激光掃描技術、無人機航測技術以及遙感技術等，提高了數據采集效率。

1 相關概述研究

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術在實際開展作業中，主要結合三維激光掃描儀獲取數據信息，其作為一種新型的現代化測繪手段，在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中發揮重要的作用效果。通常而言，三維激光掃描儀包括以下幾部分，即電源、內置數碼相機、相關處理軟件以及激光發射器等，該技術的主要原理如下，即由三維激光掃描技術中激光二極管發射相應的脈沖信號，這種信號在接觸到待測目標后會形成反射信號，然后被接收透鏡接收目標表面的反射信號后，生成逐一對應的接收信號。在信號發射到后續接收的這一段時間里，設三維激光掃描儀與待測目標之間的距離為S，儀器垂直和水平方向的觀測角度分別為θ、φ，此時待測目標P的三維坐標P(x,y,z)，主要計算如下：

由上述公式（1）可以直接計算得出待測區域內任意一點的三維坐標信息數據，可見三維激光掃描儀主要通過這一原理對目標區域實施全面可行的測繪掃描，獲取得到待測區域的點云數據，再經過數據處理和分析，最終得到三維坐標信息數據，為后續大比例尺地形圖的繪制提供有效的數據指導。通常而言，三維激光掃描技術憑借其自身諸多的功能優勢，被廣泛運用到金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業中，詳細流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術流程

1.2 金屬礦山大比例尺地形圖測繪的意義

在金屬礦山資源開發利用前，一般需要進行科學有效的地質勘探作業，而要想確保勘探作業的整體質量，必須要通過金屬礦山大比例尺地形圖測繪提供可靠性的數據支持，為后續資源開發利用的有效開展奠定堅實基礎。當前金屬礦山大比例尺地形圖測繪中受到多方面因素的干擾和影響，難以為后續的勘探質量水平提供必要保障，所以如何運用先進的技術工藝，提升大比例尺地形圖測繪水平是當前需要重點解決的難題。隨著科學技術水平的不斷提升，很多新型的測繪技術手段由此誕生，其中就包括三維激光掃描技術，該技術最大優勢是非接觸、多平臺以及減少人工作業量等，且以逆向三維建模技術為基礎，可以構建出高分辨率的實景影像信息模型，為工作人員開展后續的分析和決策提供直觀立體的參考依據。在實際運用該項技術過程中，通常主要結合三維掃描儀獲取目標的三維坐標信息，在此基礎上利用相關的計算機處理軟件對采集到的數據信息進行處理，最終生成三維礦山立體地形圖。對于以往的三維地形數據信息采集工作來說，受到技術手段等方面因素的制約，數據采集大都以單點采集為主，如此獲取的三維地形圖一般都是以離散點作為支撐，工作開展中常見的設備儀器包括經緯儀、全站儀等，由于單點數據采集工作強度比較大，不僅增加了多余的勞動力，而且還大幅延長了測繪周期。而新型三維激光掃描技術的替代，并且將其與無人機測量技術等進行融合，可以發揮出更加理想的作用和效果，提升金屬礦山大比例尺地形圖測繪水平。

2 三維激光掃描技術在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中的應用

2.1 準備工作

在實際結合三維激光掃描技術實施金屬礦山測繪前，首先需要做好前期準備工作，包括野外踏勘、資料收集以及方案制定等等，為后續開展實際大比例尺地形圖測繪奠定基礎。雖然三維激光掃描技術具備高精度的優勢和功能，但是實際當中該技術的測繪精度會隨著掃描距離的增加而降低，當超出一定標準以后，該技術所獲取的三維點云數據準確性便無法滿足精度要求，給后續大比例尺地形圖測繪造成很大的困擾。針對于此，在實際開展作業之前，相關工作人員一定要明確區域礦山地形地貌以及其它特征，結合測繪工程實際，對三維激光掃描儀的掃描半徑參數進行規劃設計，確保該技術采集的三維點云數據信息滿足實際的精度要求。不僅如此，為了進一步提升測繪質量和水平，在實際利用三維激光掃描技術開展作業中，工作人員要嚴格按照技術規范執行操作，盡可能的降低測繪誤差出現的概率。

2.2 數據處理

利用三維激光掃描技術實施數據采集和處理，詳細流程如圖2所示。

圖2 數據處理流程

2.2.1 外業數據采集

在準備工作結束之后，需要結合工程實際情況制定行之有效的測繪方案，以此為后續外業數據采集工作的開展提供指導。由于外業數據采集屬于三維坐標信息的原始測繪數據，要想為后續大比例尺地形圖測繪提供指導和參考，還需要對原始數據信息進行處理。對于外業數據采集而言，除了一般意義上的控制數據采集精度以外，還需要結合工程實際情況，對三維激光掃描設備型號、參數等進行確定，同時結合方案合理明確三維激光掃描儀的最大掃描距離，為確保數據采集結果的準確性和可靠性奠定基礎。在某金屬礦山1∶2000大比例尺地形圖測繪作業中，結合HDS ScanStation C10型號的三維激光掃描設備實施作業，結合當地的地形地貌以及其它參數信息，最終明確三維激光掃描設備的掃描距離最大為300m。在該工程測繪項目中，為了盡可能的提升大比例尺地形圖測繪效果，相關工作人員需要結合踏勘結果對礦山測區范圍進行分解，將其劃分為三個子區塊，一方面是以此降低測繪盲區以及基站數量，提升數據采集質量和效率，另一方面也能顯著降低人力成本的投入，確保經濟效益的顯著提升。需要注意的是，在實際進行外業數據采集工作當中，在完成每一站三維激光掃描任務指標后，需要及時對掃描數據信息準確性進行評價，判斷其是否可以滿足實際的大比例尺地形圖測繪精度要求，如果數據質量過關，便可以開始下一環節的測量工作；反之，如果數據檢測不合格，需要開展重復性測量和采集工作，直至精準度符合要求即可。

2.2.2 坐標轉換與點云數據配準

為了在實際開展三維激光掃描作業中，消除掃描精度受距離參數影響的因素和問題，工作中需要進行多基站點云數據配準以及坐標轉換操作，詳細如圖3所示。

圖3 點云數據坐標轉換

其目的是讓待測礦山區域的三維坐標信息統一轉換到單一坐標系統當中，為后續地形圖生成奠定基礎。通常而言，結合三維激光掃描技術獲取的基站數據信息大都是設備儀器內部的自定義坐標系統，也就是說采集得到的點云數據系統存在很大的差異性。針對于此，在對外業數據信息進行從處理前，需要將差異性的坐標系統統一整合到單一坐標系統中，在轉換過程中為了盡可能的確保精度不受影響和干擾，可以先將區域范圍內其它獨立坐標系統轉換至單一測站的局部坐標系統中，然后結合相鄰站點間多個同名控制標靶的配準方式，以此達到提升坐標轉換結果準確性和可靠性目的。對于點云數據配準方式來說，其對于點云數據整體精準度干擾比較大，通常可以細分為兩種形式，即絕對配準和相對配準，前者在實際運用過程中一般是將三維激光掃描技術與傳統的測繪方式相結合，包括全站儀、經緯儀等，憑借單點測繪的獨特優勢和功能，獲取單一基站的坐標系統以及標靶坐標，實現不同測繪手段對于目標點位坐標絕對化控制，最終完成對于坐標系統的轉換工作；后者主要基于單一站點的局部坐標系統，對其它獨立點云坐標進行統一整合，通常為了確保轉換的質量和效果，需要確保不同站點之間至少存在三個同名標靶，以實現相應的數據配準。在利用該方式進行坐標系統轉換工作中，隨著測繪區域面積的不斷增大，配準獨立基站的坐標系統數會呈現增高的趨勢，相應的數據傳遞精度會大受影響。因此，兩種數據配準方式中，絕對配準的傳遞精度更高，基本不存在誤差問題，所以可以有效確保后續大比例尺地形圖測繪的質量水平。

2.2.3 三維建模及面積核算

（1）數據分區。某項目需分別對三處已掛網區域和其他域進行三維建模和表面積核算處理，基于點云數據特點及賦色情況，建立如下分區原則：第一，掛網區域直接根據掛網區域的邊界進行選點，對于邊界模糊不清的區域，宜采用最小包圍矩形替代；第二，對于未掛網區域，則以連續區域為分區原則，即連續區域可歸為同一個分區，地形出現連續轉折的區域要分開計算，邊界以植被線為準。根據以上點云分區原則對指定區域進行分區，最終共將場區分為8部分，分區123代表已掛網區域，其他為未掛網區域，如圖4所示。

圖4 場區分區圖

（2）三維建模。將分區后的點云導入到相關軟件中，首先進行孤立點去除操作，以避免建模過程中產生較多釘狀物；然后進行點云孔洞修補、三角網封裝、孔洞修復、平滑釘狀物、網格平滑等一系列操作，采用自動修復和人工干預相結合的修復手段對模型進行綜合處理，最終得到各個分區較為平滑的三維模型成果，詳細見圖5所示。

圖5 孔洞示意圖

在建模過程中，對面積計算在建模過程中，對面積計算影響較大的當屬孔洞修復和平滑釘狀物，因為孔洞代表點云的缺失，而釘狀物代表無效點云的增多，相比于孔洞，釘狀物的修復更為復雜，因此在數據預處理和建模之前的孤立點去除操作中，要盡量保證噪點去除工作的完善。

2.2.4 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術的原理是通過脈沖信號以及目標反射信號等，以此為基礎計算三維坐標信息數據，所以在實際的測繪工作中，地形圖數據信息采集還需要涉及到區域房屋、植被以及電線桿等目標，這些因素的存在對于大比例尺地形圖測繪精度會造成嚴重的影響。因此，在實際利用三維激光掃描技術實施測繪前，一般需要先對區域內非地形數據信息進行過濾處理，以達到規避干擾的效果。通常而言，對于非地形數據信息的剔除需要結合計算機軟件來實現，比較常用的是Cyclone軟件，該軟件可以結合大比例尺地形圖測繪要求，根據規范的等高間距對區域的高層點數據進行提取。在完成這一操作后，相關測繪工作人員需要對生成的地形線質量進行檢測，檢查是否存在扭曲或缺失等問題，一旦存在質量隱患，要結合掃描自動存儲的照片信息，在此基礎上對地形線進行修正處理，直至質量達到相關標準后進行高程標注點的添加，最終進行圖面整飾和核查。

2.2.5 工作難點及解決措施

在本次金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業中，利用三維激光掃描技術實施測繪存在以下幾點問題：第一，掃描路線規劃問題。由于本次研究的礦山區域屬于環形地帶，受到地形地貌等因素的干擾和影響，掃描工作無法沿著環形路線進行，并且礦區內部分區域存在遮擋問題，導致后續數據采集以及地形圖生成質量受到影響。針對于此，要對現有的三維激光掃描規則進行調整和優化，在區域視野開闊的位置將掃描間距控制在50m的標準，然后結合具體的遮擋情況，對掃描間距參數進行靈活調整，確保數據采集的可靠性；第二，數據分區問題。該測區內地形存在起伏問題，加之樹木、植被等因素的干擾，使得點云分區難度進一步加大，由于分區規則存在明顯差異，導致各個分區模型質量千差萬別，最終對地形圖測繪質量產生影響。對此，在實際開展作業中需要結合地形特征以及點云密度等參數，明確點云數據分區標準及原則，即掛網區域可以直接結合已掛網區域邊界進行實際劃分，其中邊界劃定模糊位置，可以運用最小包圍多邊形方式進行分區；未掛網區域嚴格遵循連續分區原則，以地形特征線為邊界實施分區。

3 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業中發揮出巨大的功能優勢，可以顯著提升測繪準確性，同時減少人工勞動力，為后續地質勘探提供有效的參考和依據。本次研究通過實例分析，重點就三維激光掃描技術的運用流程進行研究，其中包括前期準備、外業數據采集、坐標轉換與配準以及大比例尺地形圖制作等，通過研究發現該技術在提升地形圖測繪質量方面效果顯著。需要注意的是，在技術運用過程中要特別注意掃描線路規劃以及點云分區等工作，對于工作開展中可能存在的影響因素進行分析，結合實際情況制定有效的應對措施，提升測繪質量水平，為后續大比例尺地形圖測繪作業高效開展奠定堅實基礎。