三維激光掃描技術在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中的應用

黃 霞，劉 陽

（江西省煤田地質局測繪大隊，江西 南昌 330001）

隨著社會現代化、信息化發展進程的加快，“數字城市”、“數字礦山”等理念相應而出，這就對大比例尺地形圖精度等提出了更高的要求。如何在較短的周期內獲得精度更高的大比例尺地形圖成為建設“數字礦山”的基礎，也是礦山生產建設的基礎。傳統的地形三維數據采集以單點采集方式為主，如經緯儀、全站儀、GPS等[1]。隨著科學技術的快速發展，逐漸以面采集為主，如、三維激光掃描技術、無人機航測技術、遙感技術等，提高了數據采集效率。本文以三維激光掃描技術為研究對象，分析該技術在金屬礦山大比例尺地形測繪中的應用方法。

1 三維激光掃描技術的工作原理

三維激光掃描技術是在GPS技術上發展以來的現代化測繪技術，是以三維激光掃描儀為主體的測繪技術，由數碼相機、后處理軟件、電源、附屬設備等組成。三維激光掃描技術的工作原理主要為：在三維激光掃描儀中安置了激光二極管，能夠發射周期性的激光脈沖，計算接受透鏡接收被測目標物反射回來的信號所需的時間差，進而換算成距離，同時記錄掃描儀鏡頭在垂直方向和水平方向的角度值，就可根據三者之間的三角函數關系計算出被測點的三維空間坐標。三維激光掃描技術就是對測繪區域開展全方位的掃描工作，對獲得的掃描數據進行整理，就可獲得測繪區域的三維點云數據，根據點云數據處理就可以獲得測繪區域的三維空間坐標，進而生成測繪區域的大比例尺地形圖。三維激光掃描技術的工作流程見圖1。

圖1 三維激光掃描技術在大比例尺地形測繪中的應用流程示意圖

2 數據采集與處理

2.1 外業數據采集

外業數據的采集工作是三維激光掃描技術制作地形圖的基礎，因此，如何獲得精度較高的點云數據是當前亟待解決的問題。三維激光掃描儀的掃描精度隨著掃描距離的增加而逐漸降低，因此，在執行掃描任務時需要根據掃描儀型號、最終比例尺大小等參數設計掃描最大距離，以確保每次掃描精度能夠滿足制圖基本需求[2]。本文所使用的三維激光掃描型號為HDS ScanStation C10，最大掃描距離為300m。為了提高金屬礦山大比例尺地形圖測繪精度，在開展外業數據采集之前，對礦山測繪區域的地形地貌進行踏勘，根據不同區域地形地貌等的差異性將測繪區域分解成若干區塊，再確定掃描儀和標靶的位置，盡可能的避免測繪盲區的出現，盡量減少測量基站的站數。在每個基站完成掃描任務后要及時的檢查掃描數據的質量是否滿足相應比例尺地形圖的基本精度要求，若所獲掃描數據精度不能達標，則需及時開展重測工作，即在整個掃描過程中確保每次掃描數據質量均滿足精度要求。

2.2 點云數據處理及坐標轉換

上文已指出，本次所選用的三維激光掃描儀的最大掃描距離為300m，因此，在完成礦山地形圖測繪過程中需要多個測站的轉移才能完成，加之礦山地形地貌、植被遮擋等綜合因素的限制，測站的轉換是必須進行的，這就導致所獲的最終掃描數據（點云數據）的坐標均為掃描儀內部的自定義坐標。在制作礦區大比例尺地形圖過程中必須要統一坐標，因此，需將各個站點的獨立的點云數據坐標轉換至統一的坐標系統下。為了提高坐標轉換過程中精度，首先將不同站點的點云數據轉換至測繪區域的某一局部的坐標系統下，一般利用相鄰兩個站點之間的3個或以上的同名控制標靶，也就是點云數據的配準。三維激光掃描儀獲得的點云數據配準是生產地形圖的前提，其配準方式包括兩種類型：一是相對配準方式，該方式是以某一測站的坐標系統為基準，將其他測站的點云數據坐標同一至該坐標系統下，該種配準方式要求不同測站之間至少3個以上的同名標靶才能完成數據的配準，隨著數據量的增加，點云數據坐標轉換誤差增大；二是絕對配準方式，是三維激光掃描技術與其他常規測量技術相結合的配準方式，即使用常規測量方法獲得每個測站的坐標，將每個測站的點云數據坐標直接轉換成絕對坐標，再將轉換后的坐標同一至同一坐標系統下，轉換精度較高。

2.3 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術在獲取測繪區域地形信息是，根據激光脈沖信號進行計算被測點的三維坐標，因此，所獲的點云數據是包含了測繪區域所有的地表信息，這就意味著點云數據不僅包含了真實的地形信息，還包含了植被、電線桿、房屋等信息，并含有大量的噪聲信息。因此，在點云數據處理過程中首先要對非地形信息進行剔除處理，一般可采用Cyclone軟件進行非地形信息處理[3]。在完成非地形信息處理后，在制圖軟件中按照需要比例尺要求設定等高距，生成等高線，對等高線局部缺失、不光滑等問題進行逐一處理，處理過程中以掃描照片為基礎進行，完成后標注高程注記點等信息，整飾生成最終的大比例尺地形圖。

3 結語

綜上所述，與傳統的其他測繪技術相比，三維激光掃描技術避免了單點采集三維坐標信息的弊端，能夠在較短的時間內獲得測繪區域面上的點云數據，顯著的提高了測量效率。三維激光掃描技術雖然提高了外業數據采集效率，但是將難點轉移至內業數據處理上。因此，如何更加有效的進行點云數據過濾、去噪處理等一直是探索的熱點。因此，三維激光掃描技術在大比例尺地形圖測繪領域中還需加強點云數據處理等技術的研究工作，為該技術的進一步發展奠定基礎。