三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中的应用研究

陈兆良，刘 伟

（江西有色地质测绘院，江西 新余 338000）

在社会经济及科学技术不断发展的背景下，三维激光扫描技术在各个行业领域得到广泛应用，尤其在矿山生产活动中体现出较大优势，可帮助工作人员更好地完成矿山边坡变形监测工作，为矿山安全生产管理提供可靠依据。与传统技术相比，三维激光扫描技术体现出数据采样率高、环境适应性高、立体性、稳定性等特点，可满足矿山边坡变形监测的需求，使监测结果的准确性得到保障。通过深入分析三维激光扫描技术特点，探究三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中的应用，有利于提出一些可靠的参考依据，促进三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中的有效应用。

1 三维激光扫描技术的特点分析

1.1 数据采样率高

在应用三维激光扫描技术的时候，经常使用脉冲扫描仪进行测量，这一设备的测量速度较高，可达到每秒5万点。同时，该技术采用的相位式扫描仪能达到没秒120万点的测量速度，突出了单点模式能对物体空间信息进行全方位采集[1]。

1.2 环境适应性高

一般在工程测量活动时，都选择无线传输的方式对获取的数据进行传输，这一过程必须考虑到气候及其他外部因素产生的影响，无线传输自身的信号延迟和不稳定性也是影响信息传输的重要因素。而三维激光扫描技术能解决这些问题，可充分适应环境的复杂性，对信息传输的延迟问题进行处理，避免出现信号干扰、信号传输丢失等情况。

1.3 立体性

三维激光扫描技术体现出较强的立体性，可获得立体的测绘数据，能对边坡整体情况进行全面了解。在传统的测绘工作中，测绘人员只能获得平面二维的测绘图形，必须与其他地面测绘相结合，才能得到立体的测绘数据，这一过程存在测绘误差大、测绘工作慢等情况。但是在应用三维激光扫描技术时，可在各个位置进行标靶设置，通过测量测绘，获得立体的测绘数据，之后进行数据评估，对矿山边坡变形的实际情况及发展趋势进行分析，制定合理的解决办法。

1.4 稳定性

三维激光扫描技术体现出较强的稳定性，将设定好的标靶作为基点，对各个区域进行测绘测量，获得精确、完整的测绘图像[2]。三维激光扫描技术的操作示意图如下所示。

图1 三维激光扫描技术的操作示意图

2 三维激光扫描的工作流程分析

根据三维激光扫描技术的应用情况分析，其工作流程分为前期准备、标靶、测站设计、扫描作业、数据分析及测绘、结果评估等多个部分，需要掌握规范地工作流程才能促进各项工作的顺利进行[3]。总体而言，三维激光扫描的具体工作流程如下：

（1）前期准备。良好的准备工作是保证后续工作得以顺利进行的基础，其主要内容为测量目标的设定、测量区域的规划、测量基站的规划、测量设备的购置等。同时，需要做好设备检测，保证测量设备处于安全稳定的运行状态。

（2）标靶。可在矿山边坡的各个区域进行标靶设置，利用三维激光扫描设备中的坐标系对其进行调整，方便对标靶进行识别和应用。对于标靶的设置，不能在同一直线上进行多个标靶的设置，且需要考虑遮挡物产生的影响。

（3）测站设计。一个站台的辐射范围中需要设置3个或3个以上的不同坐标标靶，对台站间的测量数据连接质量进行提升。

（4）扫描作业。以测站位置为依据，做好设备扫描、换站扫描和参数校准工作，且保证在间隔测站之间的仪器扫描分辨率的相同，减少数据差异，实现良好的图像衔接和测量效果。

（5）数据分析及测绘。在扫描工作中做好测量数据分析，完成数据和坐标校准工作。

（6）结果评估。在全周期的测量工作中，做好监测数据的评估及分析，对矿山边坡变形情况进行判断，结合边坡变形监测的工作需要，调整标靶位置，并出具监测结果。

3 三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中的应用方法分析

3.1 外业数据采集

将三维激光扫描技术应用到矿山边坡变形监测中需严格做好外业数据采集工作，掌握矿山边坡的地理位置，借助三维扫描仪器对监测对象进行扫描。在三维扫描仪器的运行过程中，其数据扫描应做到逐站进行，且整个过程应选择“分站-分景”的方式完成数据扫描，以获得自身需要的信息数据。具体而言，在坡体的上、中、下等位置进行分站的建设，利用“圆形区域”对每个分站进行扫描。同时，在借助三维扫描仪器进行数据扫描时，不能直接使用三维激光获得数据信息，必须先做好数据的预处理工作，将其中存在误差的信息数据清除，以便能为DME模型的构建提供准确、可靠的信息数据[4]。

3.2 数据处理

在完成数据采集后，应严格做好数据处理，确保数据处理的各个环节符合要求，避免因考虑不足造成数据误差。就实际情况分析，数据处理需要通过点云数据匹配、各景扫描数据绝对定位及拼接、坡体DEM模型生成等多个技术环节完成，具体如下：

（1）点云数据匹配。这一环节的主要目的就是采用“标志点匹配法”等对“点云坐标”进行转化，使其成为“大地坐标”。第一，将空间坐标和距离值作为依据，对坡体第一幅点云标志点的集合进行处理，并做好动态化的分层划分，使其成为多层嵌套。第二，基准为坡体第一幅点云，将其与坡体第二幅点云的标志点进行匹配，且点云标志点匹配时考虑运动规律预设的数据采集区域，利用“区域数据匹配法”将处理后数据引入对应的数据层，并做好预测估计，根据具体情况进行数据层的修改，使其能达到最优状态。

（2）各景扫描数据绝对定位拼接。各个分站位置原点的三维坐标系坐标被称为点云坐标，那么在坡体DEM模型的构建中，必须在同一坐标的情况下呈现出各景点云坐标。将实测位置的原则落实，在同一坐标系中进行各坐标系的分景点云数据的描述，形成完整的三维物体，这一环节即是多视点云拼接。一般在数据处理中，普遍都是采用ICP算法和标定物拼接，完成点云拼接的工作。其中ICP算法体现出操作简单、精确性高等特点，还可以无反射体的形式进行扫描，但是必须考虑到耗费时间较多是迭代过程中常见的问题。而标定物拼接体现出较高的效率，只需解一组线性方程组，然而精确率不足是这一方法的主要缺陷。因此，需根据实际情况对其进行合理选用，做好相应的控制管理[5]。

（3）坡体DEM模型生成。采用CYCLONE软件等现代化手段进行坡体DEM模型构建，将软件具有的数据导出功能充分发挥出来，实现扫描格式IMP转化为用户需求格式IMP。同时，任意一个时间段的DEM应利用坐标完成统一描述，使其能在同个坐标系统中呈现，可选择求差的方法客观分析矿山边坡的变形。在同水平坐标点的高程出现变化后，依据初始化的DEM数据进行分析，做好后面DEM的内插计算，确认坡体的变化程度。

4 结语

综上所述，三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中体现出较大优势，需要提高对三维激光扫描技术的掌握程度，将其合理应用到边坡的变形监测中，帮助工作人员处理边坡变形的隐患，改善矿山生产的环境，进一步促进矿山生产企业的健康稳定发展。