三维激光扫描测量技术在矿山地形测量中的应用研究

王鹏飞

在我国社会经济高速发展的大环境下，对矿产资源的需求量越来越多，在矿山测量和开采中，采取先进的技术和管理理念，已经成为发展新趋势。在矿山地形测量中应用三维激光扫描测量技术，既能提升地形测量的速度和准度，而且还有助于的建立起智慧化、数字化矿山。三维激光扫描测量技术是一种先进的非接触式测量技术，手段地形地貌、气候条件、植物树木的影响比较小，可对测量区域进行快速准确的扫描和测量，测量到的数据可实时上传和存储，再通过相应的软件技术，就能快速建立起矿山三维模型，为矿山勘查、矿产资源开采提供真实有效的数据支持和理论参考。基于此，开展三维激光扫描测量技术在矿山地形测量中的应用研究就显得尤为必要。

1 三维激光扫描测量技术的工作原理和优势

1.1 工作原理

三维激光扫描测量技术的工作原理为通过激光发射器发出一个激光脉冲信号，发射到被测物体的表面之后，激光脉冲信号会沿着被测物体的表面进行漫反射，再沿着相近的路径反射后传回到接收器中，接收器上接收的反射信号会实时传输给数据分析软件，计算机目标点和三维激光扫描仪之间的距离S，控制编码器可同步测量每个激光脉冲横向扫描角度的观测值α，以及纵向扫描角度观测值β。通过三维激光扫描测量技术可获得被测物体的三维坐标，其中X 轴布设在横向扫描内，Y 轴也布设在横向扫描内和X 轴相互垂直，Z 轴和横向扫描面垂直，就能获得被测物体P 的三维坐标，具体的三维激光扫描测量技术工作原理图和计算公式如图1 所示。

图1 三维激光扫描测量原理和计算公式图

1.2 优势

和传统地形测量技术相比，三维激光扫描测量技术不再采取单点数据采集模式，而是采用自动收集方法，持续密集的获得比测物体的三维数据，可得到能够真实反映被测物体所有属性的大量点云数据，从而实现对被测物体的全面测量。三维激光扫描测量技术的优势主要体现在以下几个方面：

第一，测量速度飞快。通过三维激光扫描测量技术可获得测区地物和地形地貌的立体信息，点云数据采集速度非常高。和传统经纬仪地形测量方法，大大减少了野外作业量，自动化水平比较高，可大幅度提升工作效率。

第二，采样率比较高。三维激光扫描测量技术是以激光脉冲的方法来对测区地形进行测量的，覆盖范围比较大，仅仅通过一次扫描测量，就能得到大面积的空间信息和三维数据。既能实现对测区地形的数据实时采集，而且具有极高的抗干扰能力，气候、通视条件、温度等对采样率的影响比较小，可实现动态化全天候地形测量。

第三，安全系数高。地形图绘制具有很强的复杂性，需要全面了解和掌握测区的地形地貌、山沟河谷、建筑、林地、道路等。传统测量中需要进行大量的野外作业，不但工作量大，而且需要跋山涉水，蛇虫鼠蚁的影响比较大，存在很多安全风险。而采用三维激光扫描测量技术可有效解决这一问题，无须大量野外测量，利用无接触式脉冲设备，就能完成复杂、未知危险点的测量，保证了地形测量的安全性。

第四，数字化和自动化水平比较高。在地形测量中采用三维激光扫描测量技术，可自动显示和输出导入各种数据，具有良好的点云数据处理和三维建模处理功能。再借助先进的计算机软件系统，就能实现对测量数据的实时分析和更新，大大提升了地形测量数据的共享效率和利用率。

2 三维激光扫描测量技术在矿山地形测量中的应用要点分析

2.1 案例分析

某矿山工程，位于地形地貌复杂多变的山区，交通不便，沟壑倾角大，航空摄影难以获得测区全面。测区最低高程为1756m，最高高程为2104m，平均高程为1950m，为铜镍矿山，为满足后期采矿和管理的需求，要求绘制比例尺为1：1000 的地形图，测区总面积为12.52km2，多为岩石地质。其中北侧地形起伏较大，存在大量的冲沟和陡梁，树木茂盛，乱石众多。测区环面两侧地势稍微平坦，南部为盆地，遮挡严重。总体来看，该矿山所在区域地形复杂，测量难度大，为保证测量的精度和质量，采用三维激光扫描测量技术，取得了良好效果，值得类似矿山地形测量中大量推广应用。

2.2 设备选型

在应用三维激光扫描测量技术时，设备选择是非常重要的一个环节，如果所选择的设备性能和参数，不符合要求，就无法保证矿山地形测量的准确性。在案例矿山地形测量中，采取了Riegl VZ-1000 型号的三维激光扫描仪，为保证测量精度，扫描精度选择为100m 处14cm，扫描距离控制在600m 左右。三维激光扫描测量得到的数据集中存储治三维激光扫描仪中，扫描测量数据包括：地面点三维空间坐标、激光回波强度等。由于测区面积比较大，在测点选择时，采取了任意设站法，但需要在每个车站上布设不少于3 个临时感光片，i 保证反射片在三维激光扫描测量的范围之内。各感光片都通过GPS RTK 技术进行测量，两两相邻的测站，在具体扫描测量中，重叠度需要控制在30%左右，为后期数据核对和拼接提供良好条件。本测区规模大，为保证地形测量的准确性和全面性，共布设了240 个测站，成图35 幅，测量时间约50h，数据采集平均速度为300000 点/s，三维激光扫描测量技术可为此种地形地貌复杂的矿山地形测量提供便捷的手段和方法，可大幅度测量的工作效率。

2.3 点云数据的采集

案例矿山地形起伏变化大，地物多，为获得更加全面的地形数据，通过如下流程来获得点云数据。

第一步，前期准备和设站。通过现场勘查和实地调研，确定每个车站的位置和扫描顺序，再通过GNSS 测量的方法得到每个测站的具体坐标。在确定好的控制点上，架设三维激光扫描测量设备，并进行调整、对准、调平，其中电源开关，对各设备和部件进行检验，确认达标之后再进行扫描测量。

第二步，设置和连接网络。当三维激光扫描测量设备安装调试完成之后，通过专用的连接线路，将计算机和三维激光扫描测量设备连接到一起，打开Cyclone 软件，创建一个测区数据库和工程项目，并执行Scanner Connect 进行网络连接。

第三步，拍照。执行get image 命令，三维激光扫描测量仪器就自动旋转起来进行测量拍照，可按照实际需求，选择整体拍照或者是局部拍照，通过拍摄得到的照片，利用相关软件，就能建立起三维模型，进行纹理贴图操作。

第四步，扫描设置和获取点云数据。按照实际需求，设置扫描主距、扫描精度、扫描范围、标靶类型、后视定向等。在获取点云数据时，要通过执行SCAN 命令，就能获得测区内的全部点云数据。

2.4 数据处理

数据处理是三维激光扫描测量技术应用的工序之一，其处理效果直接关系到整个矿山地形测量的准确性。在本次矿山地形测量中Cyclone 软件对采集到的点云数据进行处理，处理方法包括平滑去噪、匹配拼接。

平滑去噪：在三维激光扫描测量技术测量矿山地形时，受到设备精度、测点布设、操作人员工作经验、被测物体表面质量、环境等因素的影响，获得的点云数据必然存在一定的噪声点，这就需要在电源数据操作之前进行平滑的去噪处理。

匹配拼接：在三维激光扫描测量矿山地形中受到地形地貌、视角等因素的影响，为获得完整的、全面的的三维坐标信息，采取了多设测站、多视点的扫描测量方法。每台三维激光扫描测量仪器获得的点云数据，都是基于该测站点的坐标数据，这就需要通过匹配拼接的方法来获得完整的矿山地形数据。具体的匹配拼接方法为：基于点云的拼接、基于标靶的拼接、基于控制点的拼接等。本测区三维激光扫描测量中，每台测量仪器都架设在控制点上，并进行了定向处理，所得到的点云数据也都是基于相同坐标系下的数据，可将各控制点数据全部导入到Cyclone 软件中，然后自动添加约束条件来完成测量数据的匹配拼接。点云拼接精度为0.0.3m，坐标转化精度为0.035m，坐标转化容差为0.1m，符合本测区对绘制1：1000 比例尺的需求。

2.5 地物提取和绘制

在进行地物提取时需要结合矿山实际情况，准确提取地物的显著特征，比如：房屋角点、电线杆中心点、道路交汇点等。具体做法为先对点云数据进行精确匹配，再按照相应的纹理信息进行人工提取。或者是通过地面三维激光扫描，对扫描的结果进行处理提取。本测区采取了Leica 的Cyclone 软件进行手工提取地物特征，并以实际所需的格式输出到计算机文本文件中，常用的输出格式有：PointNum-ber 格式、Feature Code 格式等，这些格式都可以直接导入到大比例尺测图软件中，完成矿山地形图的绘制。

2.6 生成等高线

矿山地形测量中一些详细、复杂的地面信息，用三维激光扫描测量技术难以准确获得，因为三维激光扫描测量技术扫描的密度比较大，在地形测量中点位过密，而且分布均匀，如果采取三维激光扫描测量技术来构建三角网追踪等高线，受到地面繁琐细节信息的影响，致使等高线混乱不堪。所以，当三维激光扫描测量技术采集到的点云数据排除其他非地貌因素的干扰之后，都需要按照矿山地形测量的具体精度要求进行适当的变动和调整，最后得到相关数据，输入到大比例尺测图软件中，自动形成测区等高线。

2.7 地形图编辑

地形图编辑是三维激光扫描测量技术在矿山地形测量的最后一道工序，其编辑效果直接关系到矿山地形图能否为矿山的开采和管理提供参考和指导。所以，在进行地形图编辑中，需要对矿山地形图和等高线进行重叠编辑。但具体编辑中容易受到部分地物数据的删除而影响等高线，致使等高线出现残缺、异常性、不完整等情况。此时就需要通过手动方法来修正点云数据，并参照照片内容的实际情况，适当添加高层标记，形成一个完整图廓，对局部位置进行修饰处理。

3 提升三维激光扫描测量技术应用效果的方法

虽然三维激光扫描测量技术在测量速度、质量、准确、自动化、数字化等方面有显著优势，但在具体应用中，为提升应用效果，需要切实做好以下几点：

第一，三维激光扫描测量的精度和多视觉对齐的精度有很大影响，因此，在具体测量中，为最大限度上保证多视对齐精度，在进行不同位置、多视角扫描中，相互连接区域的重叠度不应小于10%。并用PolyWorks 软件进行直接对齐操作，控制对齐精度在10mm 左右，为提升三维激光扫描测量的精度，在本次测区地形测量中，采取了设置控制点的方法来提升对齐的精度，在扫描重叠区域，设置扫描仪来识别带有三维坐标的数据进行控制，再用PolyWorks 软件对齐时，加入控制点坐标信息，对齐精度可提升到5mm，从而更好的提升矿山测量精度。

第二，保证坐标一致性。在应用三维激光扫描测量技术进行矿山地形测量中，所用到的坐标系，都是以扫描仪为中心建立起来的，为保证测量进度，就需要通过坐标转换的方法，将每个独立的坐标系，转移到统一的坐标系中。通过布设公共控制点的方法，利用PolyWorks 软件就能实现点云数据坐标一致性转换。

第三，输出测量成果。当三维激光扫描测量技术得到点云数据，经过PolyWorks 软件处理之后，可按照实际需求，输出多种地形图测量成果，既可以是三维坐标数据，也可以是扫描对象的三维模型。可以提供丰富的接口功能，用户可以根据自己的需求，选择想要的成果输出。

4 三维激光扫描测量技术在矿山领域中的应用方向

4.1 建立数字化矿山

利用三维激光扫描测量技术可对矿山地形地貌、建筑、设施等进行全面系统的扫描，测量得到的点云数据，可用于建立数字化矿山模型。将矿山所有的信息和数据，全部汇总到一个模型和平台上进行统一管理，集中处理。矿山管理单位可通过三维激光扫描测量技术建立去模型，获得矿山每个区域的实际情况和相关属性，并建立起模型的索引目录，在具体使用中，通过索引目录，就能快速跳转到自己所需的模型中，进行三维、立体、可视化的浏览和属性查询，实现对矿山的数字化管理，提升矿山开采效率，保证开采的安全性，获得更大的经济效益。

4.2 矿山Web点云的浏览和计算

利用三维激光扫描测量技术可获得矿山的全部点云数据，再配合数码相机采集矿山的纹理信息，这些新数据全部输入到后台处理软件中，就能自动形成矿山的Web 点云。Web 点云可通过计算机浏览器或者是智能手机浏览器就能登录，实时查看矿山的三维空间展示情况。和传统的流量查询方式相比，Web点云最大的优势是不仅仅可以全面展示矿区的三维数据，而且还具有矿山的实景颜色信息。矿山管理人员和生产人员，通过移动网络就能实时浏览矿山的各种实景信息，并通过点击单个测站360°无死角的浏览该测站的全部点云数据。此外，Web 点云还具有精确的量算功能，且量算的结果准度非常高，通过矿山Web 点云，可让矿山管理人员准确度掌握矿山的每个细节，实现动态化实时管控。

4.3 精确统计矿山开挖体积

利用三维激光扫描测量技术对矿山地形进行定期全面测量，就能及时获得每一起的数据模型，将多期数据模型进行相互叠加，不仅可以显示矿山各变化部分的实际情况，而且还能准确计算出各阶段的实际开挖体积，为制定矿山开采计划和管理方案提供真实的数据支持。此外，基于矿山的数字化模型，还能实现多种模拟分析计算，最常用的就是模拟开采计划，从而更加科学合理的指导矿山生产。

4.4 对采空区进行数字化治理

矿山开采之后会形成大面积的采空区，如果处理不当，会埋下安全隐患，不仅会破坏矿山区域的地质条件和生态环境，而且不利于保证矿山开采人员的人身安全，影响矿山的正常生产经营。采空区治理长期以来都矿山行业治理的重难点，利用三维激光扫描测量技术，可快速准确的获得采空区的形态、大小、边界等数据，从而制定出控制合理的治理方案和措施，以降低采空区的危害。而且三维激光扫描测量技术属于一种非接触式测量技术，非常适合探测矿山采空区，可准确定位采空区的位置、分布情况、贯通关系等。利用三维激光扫描测量技术得到的点云数据，可建立起采空区的数字模型，实现对采空区体积、顶板面积、实际边界的可视化、实时化分析和计算。为数字矿山建设提供真实有效的数据支持和技术保障。矿山地形地貌通常比较复杂，测量难度大，采用三维激光扫描测量技术可进行精确评定，测距量程在83m 以上，测距精度误差范围在±3cm 之间，具有很高的精度，应用效果显著。

5 结语

综上所述，矿山地形测量难度非常大，且对测量数据的精度有严格要求，早起全站仪测量方法或者航空摄影测量方法，在矿山地形测量中应用时，都有很大的局限性。而三维激光扫描测量技术具有速度快、细致、精度高等优势，应用到矿山地形测量中，可有效解决矿山地形地貌复杂，数据精度要求高的问题。而且可大大降低外业作业量，保证矿山地形测量任务能够更加高效、安全、有序的开展。非常契合目前我国矿山事业发展的需要，值得大范围推广应用。