三维激光扫描技术在金属矿山大比例尺地形图测绘中的应用

黄 霞，刘 阳

（江西省煤田地质局测绘大队，江西 南昌 330001）

随着社会现代化、信息化发展进程的加快，“数字城市”、“数字矿山”等理念相应而出，这就对大比例尺地形图精度等提出了更高的要求。如何在较短的周期内获得精度更高的大比例尺地形图成为建设“数字矿山”的基础，也是矿山生产建设的基础。传统的地形三维数据采集以单点采集方式为主，如经纬仪、全站仪、GPS等[1]。随着科学技术的快速发展，逐渐以面采集为主，如、三维激光扫描技术、无人机航测技术、遥感技术等，提高了数据采集效率。本文以三维激光扫描技术为研究对象，分析该技术在金属矿山大比例尺地形测绘中的应用方法。

1 三维激光扫描技术的工作原理

三维激光扫描技术是在GPS技术上发展以来的现代化测绘技术，是以三维激光扫描仪为主体的测绘技术，由数码相机、后处理软件、电源、附属设备等组成。三维激光扫描技术的工作原理主要为：在三维激光扫描仪中安置了激光二极管，能够发射周期性的激光脉冲，计算接受透镜接收被测目标物反射回来的信号所需的时间差，进而换算成距离，同时记录扫描仪镜头在垂直方向和水平方向的角度值，就可根据三者之间的三角函数关系计算出被测点的三维空间坐标。三维激光扫描技术就是对测绘区域开展全方位的扫描工作，对获得的扫描数据进行整理，就可获得测绘区域的三维点云数据，根据点云数据处理就可以获得测绘区域的三维空间坐标，进而生成测绘区域的大比例尺地形图。三维激光扫描技术的工作流程见图1。

图1 三维激光扫描技术在大比例尺地形测绘中的应用流程示意图

2 数据采集与处理

2.1 外业数据采集

外业数据的采集工作是三维激光扫描技术制作地形图的基础，因此，如何获得精度较高的点云数据是当前亟待解决的问题。三维激光扫描仪的扫描精度随着扫描距离的增加而逐渐降低，因此，在执行扫描任务时需要根据扫描仪型号、最终比例尺大小等参数设计扫描最大距离，以确保每次扫描精度能够满足制图基本需求[2]。本文所使用的三维激光扫描型号为HDS ScanStation C10，最大扫描距离为300m。为了提高金属矿山大比例尺地形图测绘精度，在开展外业数据采集之前，对矿山测绘区域的地形地貌进行踏勘，根据不同区域地形地貌等的差异性将测绘区域分解成若干区块，再确定扫描仪和标靶的位置，尽可能的避免测绘盲区的出现，尽量减少测量基站的站数。在每个基站完成扫描任务后要及时的检查扫描数据的质量是否满足相应比例尺地形图的基本精度要求，若所获扫描数据精度不能达标，则需及时开展重测工作，即在整个扫描过程中确保每次扫描数据质量均满足精度要求。

2.2 点云数据处理及坐标转换

上文已指出，本次所选用的三维激光扫描仪的最大扫描距离为300m，因此，在完成矿山地形图测绘过程中需要多个测站的转移才能完成，加之矿山地形地貌、植被遮挡等综合因素的限制，测站的转换是必须进行的，这就导致所获的最终扫描数据（点云数据）的坐标均为扫描仪内部的自定义坐标。在制作矿区大比例尺地形图过程中必须要统一坐标，因此，需将各个站点的独立的点云数据坐标转换至统一的坐标系统下。为了提高坐标转换过程中精度，首先将不同站点的点云数据转换至测绘区域的某一局部的坐标系统下，一般利用相邻两个站点之间的3个或以上的同名控制标靶，也就是点云数据的配准。三维激光扫描仪获得的点云数据配准是生产地形图的前提，其配准方式包括两种类型：一是相对配准方式，该方式是以某一测站的坐标系统为基准，将其他测站的点云数据坐标同一至该坐标系统下，该种配准方式要求不同测站之间至少3个以上的同名标靶才能完成数据的配准，随着数据量的增加，点云数据坐标转换误差增大；二是绝对配准方式，是三维激光扫描技术与其他常规测量技术相结合的配准方式，即使用常规测量方法获得每个测站的坐标，将每个测站的点云数据坐标直接转换成绝对坐标，再将转换后的坐标同一至同一坐标系统下，转换精度较高。

2.3 大比例尺地形图制作

三维激光扫描技术在获取测绘区域地形信息是，根据激光脉冲信号进行计算被测点的三维坐标，因此，所获的点云数据是包含了测绘区域所有的地表信息，这就意味着点云数据不仅包含了真实的地形信息，还包含了植被、电线杆、房屋等信息，并含有大量的噪声信息。因此，在点云数据处理过程中首先要对非地形信息进行剔除处理，一般可采用Cyclone软件进行非地形信息处理[3]。在完成非地形信息处理后，在制图软件中按照需要比例尺要求设定等高距，生成等高线，对等高线局部缺失、不光滑等问题进行逐一处理，处理过程中以扫描照片为基础进行，完成后标注高程注记点等信息，整饰生成最终的大比例尺地形图。

3 结语

综上所述，与传统的其他测绘技术相比，三维激光扫描技术避免了单点采集三维坐标信息的弊端，能够在较短的时间内获得测绘区域面上的点云数据，显著的提高了测量效率。三维激光扫描技术虽然提高了外业数据采集效率，但是将难点转移至内业数据处理上。因此，如何更加有效的进行点云数据过滤、去噪处理等一直是探索的热点。因此，三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘领域中还需加强点云数据处理等技术的研究工作，为该技术的进一步发展奠定基础。