三维激光扫描技术在矿山开采边坡形变监测中的应用

姜利扬

核工业井巷建设集团有限公司 浙江湖州 313000

1 三维激光扫描仪原理优势

三维激光扫描仪采用主动发射扫描光源（激光），通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的空间数据信息，因此在扫描过程中，不受扫描环境的时间和空间的约束[1]。例如长距离三维激光扫描仪MaptekLR3-CT，特点速度快（每秒20万点），距离远（1200m），精度高（4mm），可架站扫描、也可以车载扫描，可应用于：大区域地形测量、露天采坑测量、排土场测量、尾矿库测量、建筑物测量、边坡变形实时监测、岩土工程分析、施工质量检测、地质灾害调查，危岩体调查等。超长距离三维激光扫描仪MaptekLR3-CT优势：

（1）长测程三维激光扫描仪，最大测程2400m，可实现远程数据采集，保障了测量人员的安全。

（2）内置测量型望远镜，可用于做后视，外业数据采集时如果都做了后视，则内业数据处理时无需进行拼接，既保障了数据精度，又提高了内业效率。

（3）内置线性数码相机，在采集点云的同时采集影像信息，节约了外业时间，并且提高了点云与影像的耦合度。

（4）高防护等级，IP65的防护等级，是目前超长距离三维激光扫描仪中最高的，保障了设备在恶劣环境下的正常使用。

（5）工作温度：-40℃～50℃，保障了设备在不同温度下的正常使用。

（6）重量轻，设备重量为9.4kg，是目前超长距离三维激光扫描仪中最轻便的一款。

（7）搬运方便，可以单手提，也可以双手抱。

（8）控制平板电脑可实时三维查看扫描数据，及时发现测量盲区，及时补测。

（9）激光发散角0.25mrad，是目前超长距离三维激光扫描仪中最小的。

（10）倾斜补偿范围5度，补偿精度20秒，可实现快速架站；

（11）扩展性强，可实现连续车载扫描、可实现边坡变形监测、可实现边坡稳定性分析、可实现施工质量检测等。

（12）功能强大的后处理软件。

（13）一机多用（常规测量、边坡监测、岩土工程分析、施工质量检测等），提高了设备的利用率。

2 三维激光边坡施工监测

PerfectDig软件使用流程简便，操作合理优化。用户到达现场，一键扫描，即时采集施工现场三维数据，并自动进行拼接；再次一键点击，即可将现场数据与设计方案进行对比、查询和分析。软件内置高级处理工具，包括横截面、块体轮廓线截取、施工与设计偏差查询等。用户可轻松获取超挖量、欠挖量、挖方偏差范围尺寸等。用户只需圈定待评估区域，即可自动生成施工与设计一致性检验报告；成果报告既可以通过移动电子设备查看，也通过在线平台发布，与其他相关人员分享。

3 三维激光扫描技术在边坡测量中的应用

3.1 外业数据采集过程

对矿山边坡体点云数据的采集，采用Riegl VZ-1000地面型三维激光扫描仪，采用固定单站坐标点的扫描方式，在同一位置对矿山边坡体进行多次扫描。在扫描时，以当天日期、前后期点云数据排序为数据命名的方式，进行点云数据的外业采集工作。

3.2 内业数据处理过程

（1）点云数据的拼接。在实地进行监测时，还需要对扫描设备进行多视角、多站点的扫描，才能获得完整的监测区域三维点云数据。在后续的点云数据处理过程中，将地面三维激光扫描的点云数据导入RISCAN PRO软件中，将布设测站控制点的坐标导入软件，导入时把测量坐标和扫描站点坐标一一对应，并注意坐标轴的转换及仪器的高度。根据扫描数据图形确定北方向，然后进行粗拼，根据不同测站点的相同特征点进行粗拼，为了提高粗拼精度，一般选取拐角点、墙角点、标语处等明显特征点进行拼接，粗拼接一般可达到厘米级精度。

（2）点云数据的滤波。点云数据滤波的目的是裁剪掉与所需矿山边坡体表面无关的点云。在点云数据获取的过程中外界环境因素的影响、边界阻塞、扫描目标的反射性差异和多路径条件下，使点云数据产生离群点、孔洞以及噪点等[2]。在点云中最常见的是离群点，指偏离其余观测点而引起误差的观测值，主要表现为与邻近区域有出入且不符合所处局部的几何表面形态。点云粗差的存在会影响后续点云模型的建立和分析，因此点云数据滤波是点云预处理中必不可少的步骤。在点云数据处理过程中，应根据实际情况对点云数据进行手动去噪等预处理。对原始数据采用手动编辑的方式去除明显的噪点和孤点，手动选取特定的扫描监测区域进行处理，即通过框选的命令把需要去除噪点的区域显示，通过旋转或平移从各个角度观看点云数据，方便对噪点数据的去除，高效的去除无关的噪点，得到高质量的点云数据。然后采用点云滤波处理非地面点云，得到去除噪点后的矿山边坡点云数据。

（3）点云数据的提取。将矿山边坡前后不同时段扫描的点云数据采用ICP优化算法统一拼接坐标后，对不同时段扫描的点云数据进行提取，提取的矿山边坡点云数据能够真实反映矿山边坡的地表面特征状态。

总之，本文将三维激光扫描技术引入到矿山边坡中，结合常规GNSS测量、水准测量、全站仪测量等手段，突破了常规测绘手段无法获取矿山完整信息的局限性，通过获取的海量点云数据，得到高精度成果，其成果精度完全满足矿山边坡的标准。

据上述分析和测试实验得出结论：①三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用完全可行，通过三维激光扫描技术能够获取海量的点云数据，能够获取高精度的成果。②采用带全站仪功能的扫描仪是一个很好的选择，可以用全站仪的功能进行设站扫描，引入绝对坐标，扫描的点云成果有绝对坐标且避免了不同扫描站点云拼接带来的误差。