废弃矿山生态修复中采用三维激光扫描技术实践研究

穆嘉琳，李 靖，李文成

（1.北京市昌平区园林绿化局，北京 102200；2.中勘天成（北京）科技有限公司，北京 100195）

矿产资源推动人类社会发展的同时，破坏了矿区生态环境[1]，影响了地质环境，产生了严重的环境污染[2]。首先，采矿过程形成大量的开采面、危岩、渣堆，破坏了矿区原始植被，导致地表裸露，产生荒漠化，造成扬尘污染，滑坡泥石流等地质灾害[3]。其次动、植物生存环境被破坏，加剧了对动、植物的栖息地干扰，使废弃矿山植物和动物丧失多样性[2]。最后，还会通过水污染、土壤污染以及不同程度的固体污染，逐步扩大污染区域。

三维激光扫描技术凭借采集快、密度大、精度高、非接触和范围广等优点[4]，弥补了传统测量数据获取及计算方面的缺点，在测树因子调查、矿山表面积计算、矿山系统滑坡体、危岩体等隐患分析以及结构安全性评估防灾减灾应用中得到了很好的效果。被越来越多的应用于矿山修复中。三维激光扫描技术利用激光测距的原理，利用脉冲或者相位时间差，推算出扫描中心距离目标的斜距，以及记录下的激光束的水平角、垂直角解算物体表面激光点的三维坐标，同时记录激光点的反射强度值，实现全自动阵列式高速、实时扫描。本文以南口镇居庸关村、花园分区矿山修复治理项目为例，介绍基于三维激光扫描仪获取的点云数据，应用于废弃矿山生态修复三维建模和表面积核算、危岩体等隐患分析的方法。

1 工程概况

修复区位于北京市昌平区南口镇居庸关村、花园分区，位处燕京八景之一的居庸叠翠范围内，北侧紧邻居庸关长城风景区，西邻G6京藏高速公路和京包铁路线，京张高铁在本段北侧穿过，是南口隧道和居庸关隧道衔接之处，中心地理坐标为东经116°05′55.70″，北纬40°16′53.85″，修复区为一处废弃石灰矿，面积为570.0 亩。修复区内边坡角度在70°左右，最大坡度80～90°。为了更加深入了解勘查区地形，使用Trimble TX8 三维激光扫描仪进行了地面架站扫描；使用Trimble RealWork 点云处理平台进行了测站拼接与坐标转换；使用cloudcompare 软件进行了地面点云的提取；使用surfer 软件进行了数字高程模型的制作；使用Trimble Businesscenter 和南方CASS 等软件进行了地形图的生产，为其后期裸露岩壁，危岩等生态治理提供参考资料。

2 三维激光扫描技术的特点

2.1 强化数据采集精度，高效完成测绘工作

三维激光扫描技术的应用，能够在很大程度上降低误差现象的出现，极大地保障了矿山数据采集过程相关信息的质量与精确度，在很大程度上提高了三维模型建立的便利性。同时三维激光扫描技术在测量之前的准备工作也相对简便，对周围环境的要求并不苛刻，测量时可以实现自动化测量，获取被测对象的信息时间周期短，减少了传统人工操作与收集过程的工作量，确保更加便利的获取到被测对象的相关信息，提高测绘工作效率与质量。

2.2 构建三维模型，量化矿山系统隐患

通过高速激光扫描测量方法，三维激光扫描技术可以大面积、高分辨率、快速地获取被测对象表面的三维坐标，并通过采用Canny 算子利用Matlab 编程语言等计算机内业处理，提取获取危险源的三维实景数据，核算裸露山坡表面积，量化危岩体表面裂缝特征线，为其后期危岩体的形变分析，裸露岩壁、危岩体的生态治理方法的选择及预算提供可靠的数据支撑，极大减少了人工测量所带来的困难与不便。

2.3 获取树木的立体模型,提取精准测树因子

三维激光扫描技术在森林资源调查、林分结构研究、单株立木三维建模等方面应用潜力巨大。利用三维激光扫描技术可以无损伤、高效、精准监测立木材积,为动态连续监测疏林立木调查因子和材积的提供了一种新的思路与方法。

3 三维激光扫描测绘的具体流程

3.1 外业数据采集

首先工作人员结合无人机勘察以及人工勘察的方式对矿山自身的地质环境进行观察，确定扫描仪器观测位置、扫描次数、顺序、范围测绘等过程参数。在对矿山进行扫描时需要注意，首先应尽量避免茂盛高大的树木遮挡，减少植物对激光的吸收。其次应争取以较少的站数来获取尽可能大的完整的扫描区域数据，减少数据拼接误差。之后还要注意进行整平对中。

根据三维激光扫描仪与扫描体之间的距离以及采集的点云数据用途，设置粗扫过程中点云间隔，设置扫描角度进。在完成初步扫描之后，还要进行精扫，获得这些公共点或者标靶点的精确位置。在完成了精扫后，三维激光扫描仪会利用自带的数码相机获取到扫描区域的色彩、纹理等特征信息。

3.2 内业数据处理

数据处理前，应先评估检测数据的完整性和可靠性。其次还需要进行点云去噪，祛除由于矿山植被遮挡造成点云离散的，分布在地表点云上方的，不具有连续性的以及与周围邻近点的高差较大的不必要数据，得到后期需要的数据。同时还要注意影像的分布、重叠度、对比度、亮度等对数据质量的影响。

数据处理完后进行测站拼接与坐标转换是一个重要的过程，通过使用Trimble RealWork 点云处理平台进行拼接与转换能够有效提高后期处理与测量精度。

之后结合全球定位系统与激光扫描技术对矿山被测位置的三维点位信息进行测量与获取，定位矿山废弃地具体位置，创设矿山废弃地三维立体模型。

最后工作人员根据矿山三维立体模型来提高矿山信息与完善丰富数据系统同时将矿山测量早期的数据信息与实际测量所得的数据进行充分的对比，建立相关的动态监测系统，并在后续的矿山修复过程进行监控，确保在最大程度上提高废弃矿山修复治理效果。

4 结语

通过三维扫描技术可以有效获取矿山废弃地三维信息及地质信息，加强矿山废弃地三整体三维虚拟模型的建立，对于促进三维激光扫描技术应用于矿山修复领域结构安全性评估防灾减灾，以及辅助相关人员完成后期矿山修复工作等方面具有现实意义，但同时对于在实际应用过程三维扫描技术的不足还需相关人员在日常的工作中采取有关措施进行消除，只有这样才能进一步提高工程测量测绘工作的质量，进一步推动我国工程测绘施工领域的发展。