基于無人機三維激光掃描技術的地質環境綜合整治應用研究

趙新華 曹繼如

摘要：激光掃描技術是一門新興的測繪技術，當前已經在很多領域中都得到了廣泛的應用。三維激光掃描技術指的是通過目標物體表面三維坐標的獲取進行完整、高精度的目標物體原貌重建，通過原始測量數據的快速獲取實現直接的實物逆向三維數據采集的模型重構技術。

關鍵詞：三維激光掃描技術；應用研究

1 應用背景

礦產資源的大規模開發為國民經濟的發展曾做出過重大貢獻，但在礦產資源開發利用的同時，因資源枯竭和政策性調整等原因，也形成了一定數量的廢棄礦井，這些廢棄礦井已對地質環境造成不同程度的破壞，對當地人民群眾生命財產安全造成了較大的威脅。為了做好廢棄礦井治理工作，切實保障人民群眾生命財產安全，2008年7月，國土資源部、發展改革委、環境保護部、安全生產監督管理局聯合印發了《關于加強廢棄礦井治理工作的通知》（國土資發[2008]154號），要求各省（區、市）開展廢棄礦井調查、編制廢棄礦井治理方案，做好廢棄礦井監管工作。

長期的開采和廢棄，造成了廢棄礦井情況數量多，分布廣，對禹州市生態環境的影響很大，為了系統地深入研究地質環境綜合整治信息模型，用無人機遙感監測、用三維激光掃描技術對廢棄礦井開展數字三維信息模型的建立，開發綜合整治三維可視化技術系統，對礦山修復與土地整理進行關鍵技術研究。

目前，三維地形可視化技術在土地規劃領域普遍運用，但大部分側重于單純的三維地形顯示及三維地形表面分析等，而對于規劃成果基于三維地形環境下的規劃圖與動態統計圖表綜合成果的表達還鮮有研究。本文以土地整治規劃成果表達的方式為例，充分利用三維地理信息軟件平臺，通過三維建模技術及地理信息的可視化表示功能，研究基于地形圖、遙感影像及統計數據一體化的三維可視化地圖表達方式，為規劃成果匯報與展示提供有效的技術支持。本項目基于三維地理信息平臺構建地形三維可視化模型，然后導出二維圖，疊加到矢量圖層上，再基于圖斑屬性生成屬性表格，并動態標注在相應的圖斑上。從而實現三維地形環境與動態統計圖表的綜合成果表達。本項目基于三維設計軟件所建立的多維可視化模型，非常適合地質環境的表達與展示，彌補了傳統的二維和三維可視化的局限性。

因此，利用無人機技術、三維激光技術及計算機技術構建“地質環境綜合整治三維設計與可視化監管信息平臺”（后簡稱為“監管信息平臺”）勢在必行。項目將利用正射影像、dem構建三維信息平臺，利用三維激光掃描技術進行現狀固定，將三維地質模型、三維規劃模型集成到三維信息平臺，加強對地質環境綜合監管，促進并輔助的地質生態修復。

2 國內外研究現狀、水平及發展趨勢

國內對此方面的研究，例如三維數字礦山綜合監控系統建立在計算機圖形學、多媒體、人工智能、傳感器技術、網絡通信技術、GIS技術、三維虛擬現實技術、實時數據庫技術等基礎上，由計算機網絡管理的管控一體化系統，它綜合考慮生產、經營、管理、環境、資源、安全和效益等各種因素，使企業實現整體協調優化，在保障企業可持續發展的前提下，達到提高其整體效益、市場競爭力和適應能力的目的。

3 關鍵技術問題

1、利用三維激光掃描技術快速建立廢棄礦井的三維信息模型體系。

激光掃描技術由于具有獲取信息量大、精度高、全數字化、環境適應性強等優點，獲得了迅速發展，在基礎測繪、工程測量、變形監測等領域開始得到廣泛的應用。三維激光掃描儀已經成為測繪儀器發展的重要方向。拓展三維激光掃描儀的應用范圍，采用三維激光掃描儀提高現有測量手段的能力和精度成為測量領域的重要研究內容。利用三維激光掃描技術通過對點云數據的快速提取，快速建立廢棄礦井的三維信息模型。

2、利用無人機遙感監測技術，對廢棄礦井進行實時監測和三維可視化全過程監管。

基于三維可視化信息平臺，實現對不同時期影像的不同對比分析和監管。

全面的矢量數據和影像數據的無縫集成。

3、利用三維規劃設計技術，實現對未來廢棄礦井綜合整治后的效果可視化和信息化管理。

實現二維平面圖向三維空間的快速轉化。

實現數據圖表的動態關聯和自動更新，極大提高優化設計效率。

在統一的設計平臺上完成廢棄礦井綜合整治各個環節的全部工作。

實現三維地形曲面設計：自然等高線的定義和編輯功能、自動識別和轉換圖上的標高文本數據、多種曲面生成方式，如特征線、等高線、DEM、點文件、離散點、塊等圖形對象、以快速繪制任意地形斷面圖、地形曲面的三維分析功能，包括高程分析、等高線分析、坡度分析、隨時查看地形曲面的三維效果、用戶可以直接對設計曲面和自然曲面進行編輯、可以對高程有問題的數據進行智能處理，實現自動隔離，以免干擾后續處理、曲面高程和坡度的自動標注、曲面模型和地形數據以及標注信息的動態關聯、自動更新、用戶可以自定義曲面的二維和三維顯示樣式。

4、歷史數據自動對比分析

統計分析是對歷史數據的回放及統計，但平臺對歷史數據的回放及統計的展現方式為動態的，是根據時間軸來反映數據變化趨勢的動態分析。

土方量計算的歷史統計分析和遙感影像監控數據的歷史統計分析等。

4 實施內容

4.1基礎三維地理信息平臺的開發：

3D地形可視化功能，同時還能夠在三維場景上創建和編輯二維文本、圖片、矢量數據和三維建筑模型，從標準GIS文件和空間數據庫中讀取各種地形疊加所需要的信息，如文本、標注、圖素、2D和3D實體，甚至動畫。有效整合多種數據類型，創建三維交互式應用系統。

通過疊加航片、衛星影像、數字高程模型以及各種矢量地理數據，迅速方便地創建海量3D地形數據庫。支持多種數據格式，能夠實現不同分辨率、不同大小數據的融合、投影變換、以及數據剪裁，從而制作任意分辨率真實質感三維場景，構建最終的海量地形數據庫。

4.2廢棄礦井三維激光掃描數據獲取：

利用三維激光掃描數據，開發快速點云數據提取技術，自動建立三維信息模型，并直接入庫到三維平臺。

4.3各類數據庫集成建設

收集各類數據，包括廢棄礦信息、地圖、影像、地名、土地利用、土地規劃等信息，集成到三維信息平臺上。

4.4廢棄礦井綜合整治三維設計與可視化監管信息平臺建設。

建立在計算機圖形學、多媒體、人工智能、傳感器技術、網絡通信技術、GIS技術、三維虛擬現實技術、實時數據庫技術等基礎上，由計算機網絡管理的三維可視化監管一體化系統，它綜合考慮規劃設計、施工、監督、管理、環境、資源、安全和效益等各種因素，使系統實現整體協調優化。利用虛擬現實技術，在三維平臺上構建虛擬廢棄礦井的三維信息和設計規劃情況，實現對信息的集成和管理，通過對各類基礎數據、空間數據、設備監測數據的處理、更新、維護和展示，為建設禹州市生態環境和土地綜合利用提供強有力的信息支撐和保障。

5 研究意義

5.1 監管信息平臺建設是綜合監管全市廢棄礦井信息的重要工具

禹州市礦產資源豐富，分布面積廣，監管信息平臺真實、及時、全面的反映禹州市各類廢棄礦井及礦山的分布及詳細信息，是從科學的角度分析、研究和展示廢棄礦井信息，包括地面信息及地下巷道信息，是綜合監管全市廢棄礦井信息的重要工具。

參考文獻

[1]邱俊玲，夏慶霖，姚凌青，袁兆憲，史超. 基于三維激光掃描技術的礦山地質建模與應用[J].地球科學（中國地質大學學報），2012，06：1209-1216.