矿山测绘中三维激光扫描技术的应用

张永敢

安徽省煤田地质局第三勘探队 安徽 宿州 234000

引言

近年来，矿山行业发展步伐加快，为了科学合理制定矿山生产方案，确保矿山开采的安全性和高效性，提高矿产资源利用率，就需要做好前期的矿山测绘工作，这就对矿山测绘技术和测绘质量提出了较高的要求。在以往的矿山测绘工作中，主要是使用传统的地形三维数据采集技术，此种测绘技术需要花费大量的时间，一旦遇到地形复杂区域，工作效率就很低而且采点困难度增加，无法满足现阶段高质量、高标准的测绘工作需求[1]。此种情况下，就需要将新型的三维激光扫描技术应用在矿山测绘工作中，借助于高精度的逆向三维建模和重构技术，对测绘区域的三维坐标数据和照片进行全面采集，以此为依据构建三维立体模型，在重构处理三维数据模型的基础上，获取真实准确的测绘区域地形信息，促进矿山测绘工作效率和质量的显著提升。

1 三维激光扫描技术阐述

三维激光扫描技术的技术原理主要是以激光测距原理为基础，借助于激光射器发出光线，当光线抵达到被测对象表面时会反射回来，接收器就会接收到反射信号，光转换器可以将接收的反射光线转化为电信号，通过终端件程序译码处理电信号，可以对被测对象表面测点的纹理、反射率、三维坐标值等信息进行全面获取并详细记录，这样就能构建全面详尽、特定格式的三维数字化模型，看到直观的测绘区域地形信息。三维激光扫描技术的测量过程是连续性的、全方位的，通过使用该项技术能够对空间测量目标信息进行及时快速获取，而且能够获取大量的目标坐标信息，在GPS技术的协助下提高测量信息的准确性，以大量精准的坐标信息为参考准确构建测量目标对象的三维模型，顺利完成测绘任务。

2 三维激光扫描技术的技术优势

三维激光扫描技术具有显著的技术优势，高效性、便捷性、高精度、数字化等都是它的突出特点。在矿山地质测绘工作开展中，相比于传统的地质测量方式，三维激光扫描技术在非接触测量、实时动态监测、数据采样速率等方面发挥着至关重要的作用和价值[2]。

2.1 在非接触测量方面

一般来说，矿山一般处在丘陵地带或者高山地带，这就导致矿山地质测绘项目面临着较为复杂、恶劣的测区现场环境，如果仍旧采取传统的人工测量方式，就需要测绘人员实地勘察测区现场，深入到测区内部，从而对测区内全部区域的基础情况进行全面了解。此种测量方式的测绘工作量很大，需要花费大量的时间和精力，而且面临着很大的危险，很可能发生安全事故，危及测绘人员的生命安全。通过将三维激光测绘技术应用在矿山测绘中，依托于技术的非接触性特征，测绘人员不用到达测区现场就可以开展地质数据采集工作，通过将三维激光测绘仪器架设在相应位置上进行扫描，直接获取被测对象的详细数据信息，这样外界环境就不会对数据采集质量产生较大的干扰，而且也能够大大降低人工测量的误差率，确保数据采集的准确性。

2.2 在实时动态监测方面

借助于通信技术实现计算机的有效连通，这样三维激光扫描仪可以将所有采集的数据信息实时发送到软件程序上，包含空间点位信息、物体表面纹理信息、坐标信息等等，这样外业数据采集工作和内业数据处理工作就可以同步进行，测绘工作效率大大提升，在较短时间内就可以顺利完成矿山地质测绘任务，对矿藏位置、矿藏深度等信息进行科学判断，从而为后续矿产资源开采工作的统筹规划和合理安排提供可靠的数据支持。

2.3 在数据采样速率方面

采样速率是指在单位时间内，对输入信号进行采样的速度，通俗来说，就是指计算机单位时间内能够采集多少个信号样本。一般来说，数据采样速率越高，就会加快测绘工作效率，所测绘的矿山地形也会具有较高的精度。跟人工测量等传统测绘技术相比，三维激光扫描技术的采样速率要高出很多，采取脉冲测距法的情况下，三维激光扫描技术的采样速率可以达到数千点/秒；如果采用的是相位测距法，三维激光扫描技术的采样速率则可以达到数十万点/s。

3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用流程

3.1 采集地质数据

在进行矿山地质数据采集时，具体操作如下，首先，需要提前勘察矿产区域的实际情况和周围环境，以矿区现场情况为依据科学设置测区站点位置，并对站点数量进行严格控制，既不能太多也不能太少，保持在合理范围内，而且扫描测站的间距控制在50m以下。一般来说，测区站点数量范围为5-30个，站点一定要设置在合适位置上，避免出现测绘盲区。站点位置和站点数量都会对地质数据采集的准确性产生直接影响，相关工作人员一定要提高重视度。

其次，需要对矿山地质测绘项目要求进行全面研究，在充分了解的基础上选择合适的激光测距方法。脉冲测距法、激光三角法、相位测距法等都是常用的激光测距方式，它们的使用操作和应用特点存在差异，以实际需求合理选择才能最大限度发挥出各激光测距方法的应有优势[3]。通常来说，采取脉冲测距法即可满足实际的地质测绘项目需求，需要将三维激光扫描仪的采样点速率控制在每秒数千点范围内；在脉冲测距法无法满足要求的情况下，可以使用相位测距法，此时的三维激光扫描仪采样点速率需要控制在每秒数十万点范围内。激光测距方法确定后，测绘人员就需要将三维激光扫描仪准确搭设在测点位置，三维激光扫描仪的架设位置需要尽可能高于控制点，同时进行设备调试工作，不仅要调试相机还需要设置测点参数，而且需要保证其与计算机进行有效联通。

最后，测绘人员需要严格按照仪器操作方法和流程正确操作使用三维激光扫描仪，先进行扫面扫描作业，再进行细节扫描作业。以测点的分布密度和云集密度为参考，结合扫描仪与测量目标的间距，对扫面时间长度进行合理控制，避免扫面时间太短无法获取全面的数据信息。一般来说，每个站点的扫面扫描时间可以设置为12分钟，如果三维激光扫描仪与测量目标隔着较远的距离，就可以根据实际情况对扫面扫描时间进行适量延长。

3.2 处理采集数据

地质数据采集完成后，就需要对所接收的被测物体轮廓集合数据进行有效处理，测绘人员可以借助专业的软件程序进行坐标转换处理、植被过滤处理、噪声分隔处理图像匹配处理，同时合理调整多站点，进行点云数据配准，生成三角网和等高线。当数据信息处理完成后，就可以直接导入到构建的目标模型中，形成直观形象的数字化模型，至此，矿山地质测绘工作任务圆满完成。

其中坐标转换处理的主要作用在于，虽然三维激光扫描仪能够实现GPS技术和全站仪的有机结合，但是数据采集精度还是达不到规定标准，只能初步呈现大致方向和坐标，还需要进行坐标转换处理，正确纠正处理测量数量，确保测量数据保持在正确坐标上[4]。植被过滤处理是借助于全波形数字处理方法，对激光射线透过测区的地表植被进行科学控制，从而确保地面、地质结构内部的轮廓集合数据获取的准确性，使得地表植物对测绘成果质量带来的不良影响大大降低，直至全面消除。而多站点调整就需要使用到RiScan Pro 等一系列的软件程序，测绘人员在软件程序的协助下，将外业数据依次导入到程序中，拼接拟合处理各种图片，使得图片平差效果显著改善，避免出现制图接边问题。噪声分隔处理是指去 噪处理前期采集的云数据，这样数据中夹杂的噪声点就能够彻底消除或者分隔开来，点云数据经过处理后就可以转化为DEM 数字高程模型。三角网与等高线的生成可以提高软件程序中所生成图像的清晰度，从而对测区矿山的地质条件和环境进行清楚准确的描绘，原本存在的点位分布不均问题、信息混乱等问题都能够得到有效解决[5]。图像匹配处理是指在将矿山地质数据导入相同坐标系之前，所有站点采集的矿山地质数据都必须经过匹配处理，从而在定位系统作用下，执行定量分析、消除噪音、分析遥感数据等操作，以此来获取全面详尽的地质信息。当外业数据处理完成后，测绘人员就可以进行矿山地形图编辑工作。按照操作步骤和流程进行空间数据、属性数据、空间实体关系编辑，同时需要修饰图廓、匹配等高线图等。此外，测绘人员还需要对前期删除的地形数据和部分缺失的等高线进行手动修改描补，有效提高矿山测绘质量，为后续各项工作的开展奠定坚实的基础。

3.3 评定测绘成果精度

就矿山地质测绘项目的实际应用情况来看，由于受到多种因素的影响，包含仪器设备使用性能不达标、人为操作失误、测区现场环境恶劣复杂等，导致矿山地质测量误差时有发生，测绘结果达不到规定的精度要求。由于这些问题的存在，对三维激光扫描技术的全面推广普及起到了一定的阻碍和限制作用，导致部分项目的测绘成果无法将测区的详细地质条件真实、准确、详尽的反映出来，无法为矿山开采工作提供有效的参考价值。因此，在矿山测绘中应用三维激光扫描技术时，做好测绘成果精度评定工作就显得尤为重要，有着很强的必要性，能够及时发现测绘结果的误差地方，采取有效的补救措施进行科学处理，提高测绘结果的精度。

具体来说，测绘成果精度评定包含以下几个方面的内容[6]，第一，科学评定平面绝对位置精度。测绘人员通过使用特征点拟合提取方式在软件程度中执行点云切片操作，切片厚度不超过2cm，点云数据切片后，还需要执行近邻点检索拟合地形特征点操作，将测绘成果中的拟合错误点全部剔除出来。第二，科学评定平面相对位置精度。点云切片操作执行完成后，需要对地形图、点云数据当中的地物边长以及地物点间距进行对照分析，以对比结果为参考科学计算误差部分，通过查看结果来合理判断平面相对位置精度，确保平面相对位置精度达到项目测绘规定要求。第三，科学评定地形图地理精度。在地形图地理精度评定过程中，不仅需要使用人机交互检查方式检查对比所获取的三维点云数据，还需要对比分析形图地理精度和点云数据。通过对地理要素类型与符号使用偏差等情况进行逐条逐项分析，查看它们是否达到项目测绘标准，从而对地形图地理精度进行科学判定。如果部分区域部位的精度不达标，就需要再次修改编辑，提高精确度。

4 结束语

综上所述，将三维激光扫描技术应用在矿山测绘工作中，能够确保矿山地质测绘任务高效率完成，获取高质量的测绘地形数据，为后续工作的顺利开展提供良好的基础条件。因此，进行矿山测绘工作时，需要提高三维激光扫描技术重视度，全面掌握技术原理，严格按照它的应用流程开展作业，充分发挥出三维激光扫描技术的优势所在，为测绘行业的高质量发展提供助力。