基于3D激光掃描的礦山地形測量技術(shù)應(yīng)用

張亮

摘 要：基于GPS及測距技術(shù)，計(jì)算機(jī)可以將測繪收集到的點(diǎn)位信息自動整合為3D圖像進(jìn)行輸出，提高了測繪的準(zhǔn)確性與工作效率，受到廣泛的關(guān)注。文章重點(diǎn)梳理其技術(shù)原理，并對具體的應(yīng)用模式進(jìn)行分析，希望通過文章的研究能夠?yàn)楹罄m(xù)的相關(guān)工作開展提供必要基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：3D；激光掃描；礦山；地形測量

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0171-03

Abstract： Based on GPS and ranging technology， the computer can automatically integrate the point information collected by surveying and mapping into 3D images for output， which improves the accuracy and efficiency of surveying and mapping， and has been widely concerned. The paper focuses on combing its technical principles， and analysis of the specific application mode， in the hope that the study of this paper can provide the necessary foundation for the follow-up work.

Keywords： 3D； laser scanning； mine； topographic survey

與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，應(yīng)用3D激光掃描能夠更為快速、更為準(zhǔn)確的提供地形的精準(zhǔn)信息，尤其是基于測量與繪圖的一體化建設(shè)更是使得其在測量過程中具有“所見即所得”的良好人機(jī)互動體驗(yàn)，進(jìn)而受到了社會各界的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。本文以其作為研究對象，在系統(tǒng)分析去作用原理的基礎(chǔ)上，對在礦山測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，希望通過本文研究能夠?yàn)楹罄m(xù)的相關(guān)工作開展提供必要依據(jù)。

1 3D激光掃描測量技術(shù)原理及其種類

3D激光掃描技術(shù)的主要組成有GPS差分定位系統(tǒng)（DGPS）、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)（INS）以及激光測距系統(tǒng)。在利用光源的基礎(chǔ)上對測量對象進(jìn)行探測獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)、地表信息并且構(gòu)建三維場景。較為代表的激光測距傳感器的組成主要有測距單元、控制和處理單元以及光學(xué)機(jī)械掃描裝置。比較常用的激光測距方式有兩種，即脈沖式和相位式。脈沖式激光測距是根據(jù)激光發(fā)射裝置生成激光并將其發(fā)射至即光脈沖接觸實(shí)物，產(chǎn)生反射再被激光接收機(jī)接收。以此測得地表和激光發(fā)射器之間的距離，利用公式R=1/2Ct作為其主要的測量核心原理。相位式測距則是利用傳感器發(fā)射以及接收波之間的相位差來計(jì)算得出傳感器與目標(biāo)之間的距離。這一過程依賴于LiDAR系統(tǒng)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析體系，高效的整合搜集到的INS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，從而完成相應(yīng)的繪圖工作。

從現(xiàn)階段的應(yīng)用實(shí)踐來看，3D激光掃描設(shè)備按照不同的數(shù)據(jù)獲得方式可以按照如下兩種模式來進(jìn)行分類。一種是基于平臺的不同而進(jìn)行分類，如固定式激光測量技術(shù)；無人機(jī)激光測量技術(shù)等。前者具有更高的準(zhǔn)確性，后者由于平臺的移動對于地形限制相對較低，具有更大的靈活性。另一種則是按照具體數(shù)據(jù)采集的光學(xué)原理差異而進(jìn)行分類：如雷達(dá)測量技術(shù)、紅外線測量技術(shù)以及本文所研究探討的激光測繪技術(shù)等。其中雷達(dá)測繪可以對地下一定層深的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，紅外線測量則可以有效區(qū)分地表建筑、植被等附作物，激光測量則在準(zhǔn)確等方面具有更好的表現(xiàn)。

2 礦山地形測量需求與作用

從上述的作用來看，礦山地形測量需要滿足如下幾方面的基本要求：

第一，高效性：與地質(zhì)勘探所不同，地形測量是一個長期的動態(tài)過程，在礦山的開采周期中要不斷的對測量信息進(jìn)行更新，從而形成數(shù)據(jù)的動態(tài)表現(xiàn)。這就要求地形測量具有更高的時效性，測量技術(shù)的應(yīng)用效率也是評價這一指標(biāo)的因素之一。

第二，準(zhǔn)確性：測量的準(zhǔn)確性是后續(xù)應(yīng)用合規(guī)的有效保障，是形成實(shí)際工程貢獻(xiàn)的必要基礎(chǔ)。

第三，精確性：與準(zhǔn)確性相對精確性主要是指測量信息的高密度與高分辨率表達(dá)。在傳統(tǒng)的人工測量中更多的數(shù)據(jù)模式為采集點(diǎn)間的平滑過渡，缺乏單點(diǎn)的精確性。

第四，可視性：通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，將測量到的數(shù)據(jù)整合成為3D圖像，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用帶來極大的便捷。

3 3D礦山地形測量技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)階段的礦山地形測量多采用固定平臺來進(jìn)行。從實(shí)踐環(huán)節(jié)來看，大致可以分為現(xiàn)場測量以及后臺數(shù)據(jù)處理等兩個部分，其具體現(xiàn)場應(yīng)用如下：

3.1 現(xiàn)場測量的總體流程

從實(shí)際的測量工作來看，其現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集大概分為如下四個環(huán)節(jié)：首先，對標(biāo)靶進(jìn)行設(shè)定，以此來提高實(shí)際測量的準(zhǔn)確性；其次，對測站進(jìn)行設(shè)定，保障全部的測繪過程測站的穩(wěn)定無偏移；再次，對儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，確保獲得數(shù)據(jù)具有較高的區(qū)別度，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作的開展；最后，開展實(shí)際的掃描。事實(shí)上前三個環(huán)節(jié)均是對相關(guān)設(shè)備的調(diào)試環(huán)節(jié)，確保實(shí)際自動化掃描過程的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。

3.2 現(xiàn)場測量的各環(huán)節(jié)應(yīng)用

按照不同的環(huán)節(jié)，其具體應(yīng)用模式如下：

第一，在標(biāo)靶設(shè)定階段的應(yīng)用。標(biāo)靶的主要功能是確定不同測量操作間相對為之的固定，以滿足單設(shè)備多角度的測量需求。在實(shí)際的設(shè)置過程中要根據(jù)不同標(biāo)靶的類型（球形及平面型）來進(jìn)行具體的區(qū)分。其中平面型標(biāo)靶要保障識別面對測量點(diǎn)位的面相關(guān)系，球形標(biāo)靶則需要保障其反光面的清潔。另一方面，標(biāo)靶之間要完成統(tǒng)一設(shè)置，并形成距離差、高程差等相關(guān)要求，同時考量標(biāo)靶位置對于后續(xù)掃描的貢獻(xiàn)率。

第二，在測站設(shè)定階段的應(yīng)用。基站的設(shè)定是保障多角度測繪的基礎(chǔ)，在實(shí)際的測量過程中首個測站應(yīng)該以設(shè)備為基準(zhǔn)，確定位置點(diǎn)位后保障其對于其他標(biāo)靶清晰可見，同時保障其對于礦區(qū)的可見覆蓋面積達(dá)到最大。

第三，在參數(shù)設(shè)定階段的應(yīng)用。參數(shù)的設(shè)定要保障后續(xù)數(shù)據(jù)的可識別性，具體要包括工程名、存儲位置等基礎(chǔ)信息，同時也要包括了掃描范圍、分辨率等技術(shù)參數(shù)。另外值得注意的是要對不同的靶位進(jìn)行區(qū)別標(biāo)號，以便后續(xù)的相關(guān)分析開展。

第四，在實(shí)際測量階段的應(yīng)用。在實(shí)際的測量過程中一是要保障不同標(biāo)靶位置的順序進(jìn)行；二是按照整平掃描（掃描密度25mm-30m）、擴(kuò)展掃描（75mm-300m）的基本順序按序進(jìn)行。不同階段的具體掃描時間與具體的設(shè)備類型與屬性相關(guān)，一般情況下以設(shè)備的提示音為準(zhǔn)。在經(jīng)過上述兩次掃描后，該點(diǎn)位的掃描工作已經(jīng)完成，將掃描設(shè)備移到下一個表達(dá)點(diǎn)位，并設(shè)置該掃描點(diǎn)的標(biāo)靶。重復(fù)上述過程，直至全部掃描均已完成。

4 3D礦山地形測量技術(shù)的后臺應(yīng)用

3D激光測量技術(shù)按照應(yīng)用的不同階段大致可以分為現(xiàn)場測量環(huán)節(jié)與后臺數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)僅為單點(diǎn)的海量數(shù)據(jù)，如果要形成有效的后續(xù)應(yīng)用，需要將其整合為統(tǒng)一的3D圖像與信息包，在具體的后臺應(yīng)用層面大致分為如下幾個方面：

4.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

掃描所活動的數(shù)據(jù)僅為平面數(shù)據(jù)，且由于平面遮擋等原理無法通過單次測量活動全部的立體數(shù)據(jù)。這也是上文現(xiàn)場測量中需要設(shè)立標(biāo)靶，并逐次測量的根本原因。而多次活動的不同數(shù)據(jù)在后續(xù)的應(yīng)用中需要進(jìn)行配準(zhǔn)，才能夠形成有效的3D區(qū)域圖像。在具體的配準(zhǔn)過程中，在Realwords軟件中標(biāo)記標(biāo)靶的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)后，后續(xù)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)則由系統(tǒng)自動完成拼接。在該系統(tǒng)下拼接的進(jìn)準(zhǔn)度一般可以控制在1cm以內(nèi)，且拼接的自動計(jì)算多有計(jì)算機(jī)完成，客觀上降低了相關(guān)工作人員的工作量。

4.2 點(diǎn)云去噪

在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程后系統(tǒng)已經(jīng)獲得了完整的礦區(qū)3D圖像，而下一步則需要對圖像中存在的“噪點(diǎn)”進(jìn)行修正去去除。在實(shí)際的操作過程中按照噪點(diǎn)的不同形成原因予以不同的處置方案，具體分為如下兩種：一是由于外部環(huán)境的擾動而產(chǎn)生的噪點(diǎn)，如測量區(qū)域內(nèi)的灰塵，礦區(qū)內(nèi)車輛、設(shè)備以及人員的走動等對測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的遮擋。此種原因下所產(chǎn)生的噪點(diǎn)可以在計(jì)算機(jī)上人為識別，故而直接刪除相關(guān)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)便可以達(dá)到去噪的目的；二是由于設(shè)備自身所產(chǎn)生的噪點(diǎn)，信息在傳輸、激光設(shè)備在獲取圖像的過程中必不可少的會存在一定的偏移，如信息電路噪聲，激光濾鏡噪聲等。針對此類原因所產(chǎn)生的造成噪聲則需要采用濾波的方式分析噪聲的具體波形來予以科學(xué)區(qū)分，具體而言大致分為中值濾波、高斯濾波以及均值等三種模式，不同模式所形成效果以及針對的噪聲種類的準(zhǔn)確性存在一定的差異，這就需要實(shí)際的測量人員在軟件操作過程中來不斷的進(jìn)行操作與修訂，從而找到最佳的去噪方案。

4.3 空洞修補(bǔ)

在實(shí)際的測量數(shù)據(jù)處理過程中會存在一定的“黑洞”，即數(shù)據(jù)信息沒有有效采集的位點(diǎn)。針對此種問題可以采取實(shí)地測量、點(diǎn)云插入等方式來進(jìn)行修補(bǔ)。所謂的實(shí)地測量主要是指針對空洞數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的位點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的掃描設(shè)備對其位點(diǎn)信息進(jìn)行測量，后經(jīng)過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換將這一數(shù)據(jù)整合到3D測量系統(tǒng)體系中去。而點(diǎn)云插入則是采用一種“平滑過渡”的方式采用周邊區(qū)域系統(tǒng)均值對對改位點(diǎn)的空白數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，過程相對簡單但是準(zhǔn)確性不高。常常適用于面積極小，重要性不高的位點(diǎn)補(bǔ)充操作。完成以上操作后，建立相應(yīng)的數(shù)字高程模型，見圖2。

5 結(jié)束語

3D激光掃描的礦山地形測量在一定程度上得到了應(yīng)用，但是針對其原理，應(yīng)用細(xì)節(jié)以及注意事項(xiàng)等方面的研究相對薄弱。本文基于此在系統(tǒng)分析3D激光掃描的原理基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)場測量與后臺數(shù)據(jù)處理的兩個基本模式探究具體的應(yīng)用細(xì)節(jié)，希望通過本文的研究能夠?yàn)楹罄m(xù)的相關(guān)工作提供必要基礎(chǔ)。

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