基于无人机三维激光扫描技术的地质环境综合整治应用研究

赵新华 曹继如

摘要：激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，当前已经在很多领域中都得到了广泛的应用。三维激光扫描技术指的是通过目标物体表面三维坐标的获取进行完整、高精度的目标物体原貌重建，通过原始测量数据的快速获取实现直接的实物逆向三维数据采集的模型重构技术。

关键词：三维激光扫描技术；应用研究

1 应用背景

矿产资源的大规模开发为国民经济的发展曾做出过重大贡献，但在矿产资源开发利用的同时，因资源枯竭和政策性调整等原因，也形成了一定数量的废弃矿井，这些废弃矿井已对地质环境造成不同程度的破坏，对当地人民群众生命财产安全造成了较大的威胁。为了做好废弃矿井治理工作，切实保障人民群众生命财产安全，2008年7月，国土资源部、发展改革委、环境保护部、安全生产监督管理局联合印发了《关于加强废弃矿井治理工作的通知》（国土资发[2008]154号），要求各省（区、市）开展废弃矿井调查、编制废弃矿井治理方案，做好废弃矿井监管工作。

长期的开采和废弃，造成了废弃矿井情况数量多，分布广，对禹州市生态环境的影响很大，为了系统地深入研究地质环境综合整治信息模型，用无人机遥感监测、用三维激光扫描技术对废弃矿井开展数字三维信息模型的建立，开发综合整治三维可视化技术系统，对矿山修复与土地整理进行关键技术研究。

目前，三维地形可视化技术在土地规划领域普遍运用，但大部分侧重于单纯的三维地形显示及三维地形表面分析等，而对于规划成果基于三维地形环境下的规划图与动态统计图表综合成果的表达还鲜有研究。本文以土地整治规划成果表达的方式为例，充分利用三维地理信息软件平台，通过三维建模技术及地理信息的可视化表示功能，研究基于地形图、遥感影像及统计数据一体化的三维可视化地图表达方式，为规划成果汇报与展示提供有效的技术支持。本项目基于三维地理信息平台构建地形三维可视化模型，然后导出二维图，叠加到矢量图层上，再基于图斑属性生成属性表格，并动态标注在相应的图斑上。从而实现三维地形环境与动态统计图表的综合成果表达。本项目基于三维设计软件所建立的多维可视化模型，非常适合地质环境的表达与展示，弥补了传统的二维和三维可视化的局限性。

因此，利用无人机技术、三维激光技术及计算机技术构建“地质环境综合整治三维设计与可视化监管信息平台”（后简称为“监管信息平台”）势在必行。项目将利用正射影像、dem构建三维信息平台，利用三维激光扫描技术进行现状固定，将三维地质模型、三维规划模型集成到三维信息平台，加强对地质环境综合监管，促进并辅助的地质生态修复。

2 国内外研究现状、水平及发展趋势

国内对此方面的研究，例如三维数字矿山综合监控系统建立在计算机图形学、多媒体、人工智能、传感器技术、网络通信技术、GIS技术、三维虚拟现实技术、实时数据库技术等基础上，由计算机网络管理的管控一体化系统，它综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素，使企业实现整体协调优化，在保障企业可持续发展的前提下，达到提高其整体效益、市场竞争力和适应能力的目的。

3 关键技术问题

1、利用三维激光扫描技术快速建立废弃矿井的三维信息模型体系。

激光扫描技术由于具有获取信息量大、精度高、全数字化、环境适应性强等优点，获得了迅速发展，在基础测绘、工程测量、变形监测等领域开始得到广泛的应用。三维激光扫描仪已经成为测绘仪器发展的重要方向。拓展三维激光扫描仪的应用范围，采用三维激光扫描仪提高现有测量手段的能力和精度成为测量领域的重要研究内容。利用三维激光扫描技术通过对点云数据的快速提取，快速建立废弃矿井的三维信息模型。

2、利用无人机遥感监测技术，對废弃矿井进行实时监测和三维可视化全过程监管。

基于三维可视化信息平台，实现对不同时期影像的不同对比分析和监管。

全面的矢量数据和影像数据的无缝集成。

3、利用三维规划设计技术，实现对未来废弃矿井综合整治后的效果可视化和信息化管理。

实现二维平面图向三维空间的快速转化。

实现数据图表的动态关联和自动更新，极大提高优化设计效率。

在统一的设计平台上完成废弃矿井综合整治各个环节的全部工作。

实现三维地形曲面设计：自然等高线的定义和编辑功能、自动识别和转换图上的标高文本数据、多种曲面生成方式，如特征线、等高线、DEM、点文件、离散点、块等图形对象、以快速绘制任意地形断面图、地形曲面的三维分析功能，包括高程分析、等高线分析、坡度分析、随时查看地形曲面的三维效果、用户可以直接对设计曲面和自然曲面进行编辑、可以对高程有问题的数据进行智能处理，实现自动隔离，以免干扰后续处理、曲面高程和坡度的自动标注、曲面模型和地形数据以及标注信息的动态关联、自动更新、用户可以自定义曲面的二维和三维显示样式。

4、历史数据自动对比分析

统计分析是对历史数据的回放及统计，但平台对历史数据的回放及统计的展现方式为动态的，是根据时间轴来反映数据变化趋势的动态分析。

土方量计算的历史统计分析和遥感影像监控数据的历史统计分析等。

4 实施内容

4.1基础三维地理信息平台的开发：

3D地形可视化功能，同时还能够在三维场景上创建和编辑二维文本、图片、矢量数据和三维建筑模型，从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息，如文本、标注、图素、2D和3D实体，甚至动画。有效整合多种数据类型，创建三维交互式应用系统。

通过叠加航片、卫星影像、数字高程模型以及各种矢量地理数据，迅速方便地创建海量3D地形数据库。支持多种数据格式，能够实现不同分辨率、不同大小数据的融合、投影变换、以及数据剪裁，从而制作任意分辨率真实质感三维场景，构建最终的海量地形数据库。

4.2废弃矿井三维激光扫描数据获取：

利用三维激光扫描数据，开发快速点云数据提取技术，自动建立三维信息模型，并直接入库到三维平台。

4.3各类数据库集成建设

收集各类数据，包括废弃矿信息、地图、影像、地名、土地利用、土地规划等信息，集成到三维信息平台上。

4.4废弃矿井综合整治三维设计与可视化监管信息平台建设。

建立在计算机图形学、多媒体、人工智能、传感器技术、网络通信技术、GIS技术、三维虚拟现实技术、实时数据库技术等基础上，由计算机网络管理的三维可视化监管一体化系统，它综合考虑规划设计、施工、监督、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素，使系统实现整体协调优化。利用虚拟现实技术，在三维平台上构建虚拟废弃矿井的三维信息和设计规划情况，实现对信息的集成和管理，通过对各类基础数据、空间数据、设备监测数据的处理、更新、维护和展示，为建设禹州市生态环境和土地综合利用提供强有力的信息支撑和保障。

5 研究意义

5.1 监管信息平台建设是综合监管全市废弃矿井信息的重要工具

禹州市矿产资源丰富，分布面积广，监管信息平台真实、及时、全面的反映禹州市各类废弃矿井及矿山的分布及详细信息，是从科学的角度分析、研究和展示废弃矿井信息，包括地面信息及地下巷道信息，是综合监管全市废弃矿井信息的重要工具。

参考文献

[1]邱俊玲，夏庆霖，姚凌青，袁兆宪，史超. 基于三维激光扫描技术的矿山地质建模与应用[J].地球科学（中国地质大学学报），2012，06：1209-1216.