三維激光掃描技術在礦山大比例尺地形圖測繪中的應用

王昌銳

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊，貴州 遵義 563000）

礦山大比例尺地形圖測量工作是地質礦產勘查、各類探礦工程（鉆孔、平硐、槽探）等布設的基礎性圖件，也是深部采礦工程設計的基礎。因此，如何準確、快速地獲取礦山大比例尺地形圖是影響資源勘查進度和找準開采工作面的基礎[1]。三維激光掃描技術是以高精度的逆向三維建模以及重構技術為基礎，對測繪區域進行“實景復制”的現代化新型測繪技術。該技術立足于三維掃描儀獲取測繪區域的三維坐標數據信息，以三維坐標數據為基礎，通過數據軟件處理平臺實現實體“復制”或者實景的三維立體信息，進而可以通過地形圖生成以及編輯功能獲得具有三維坐標信息的地形圖，為建設三維立體地形圖、三維礦山等奠定了基礎[2]。傳統的三維地形數據采集以單點的采集模式為主，獲得的三維地形圖是以離散的點為基礎的，常見的測繪儀器有GPS、全站儀、經緯儀等，單點采集具有測繪工作量龐大、外業采點周期長等弊端，容易出現人為誤差等[3-4]。隨著科學技術的發展，逐漸實現了以面采集三維坐標信息的技術，如無人機航空攝影測量技術、無人機遙感測繪技術以及三維激光掃描技術等，能夠在較短的時間內獲取大面積的三維立體信息，產品成果精度高，具有明顯的應用優勢。

1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是以三維激光掃描儀為基礎的現代化測繪新技術，在各行測繪領域都取得了顯著的應用效果[1-5]。三維技術掃描儀由電源、內置現代化數碼相機、后處理軟件以及附屬設備等組成，該技術的工作原理：三維激光掃描儀中設置的激光二極管發射周期性的激光脈沖信號，脈沖信號直射至測繪區域某目標表面并形成反射信號，進而被接收透鏡接收目標表面的反射信號后生成一一對應的接收信號。在脈沖信號發射至反射信號接收的一段時間差內，若掃描儀距離目標表面的距離為S，三維激光掃描儀垂向方向和水平方向的觀測角度值標記為θ和φ，那么目標物P的三維坐標為P（x，y，z），計算公式如下：

通過上述三維空間坐標計算公式就可以獲得測繪區域任意一點P的三維坐標信息，因此，利用上述原理制作的三維激光掃描儀對測繪區域進行全方位的掃描，即可獲得測繪區域對應的一系列的點云數據，進而通過數據處理、分析，獲得測繪區域的三維坐標信息，結合制圖軟件自動生成測繪區域相應比例尺的地形圖。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如圖1所示。

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 準備工作

在開展三維激光掃描測量工作之前需要進行充分的準備工作，包括測繪區域地形地貌的野外踏勘工作、設計編寫、操作規范研讀等。三維激光掃描儀在全方位掃描過程中，精度隨著掃描距離的增加而逐漸減弱，即超過一定的掃描距離后所獲的三維點云數據精度無法滿足相應大比例尺地形圖測量精度要求[6]。因此，在開展工作之前需要對測繪區域的地形地貌特征等進行分析，可以制定三維激光掃描儀的掃描半徑，以確保三維坐標信息精度符合測量基本要求。此外，掃描過程中嚴格按照相關操作規范進行，可有效減少不必要的人為誤差等。

2.2 外業數據采集

在完成準備工作的基礎上，根據測繪地區地形地貌變化特征編制測繪設計方案，開始進行外業數據采集工作。外業數據采集是獲取測繪區域三維坐標信息的原始數據，也是制作大比例尺地形圖的基礎原始數據。因此，在外業數據采集過程中必須確保采集的點云數據精度是滿足相應比例尺地形圖精度要求的。前文已述及，三維激光掃描儀的掃描精度受掃描距離影響較大，精度隨著掃描距離的增加而逐漸降低，因此，外業采集數據時要根據測繪區域地形地貌、三維激光掃描儀型號、礦山地形圖比例尺要求等確定三維激光掃描儀的最大掃描距離，主要目的在于確保每次掃描結果均滿足相應比例尺精度的基本要求。

文章以某金屬礦山1∶2000大比例尺地形圖測繪為例，采用HDS ScanStation C10型號的三維激光掃描儀，最終確定該測繪區域的最大掃描距離為270m和300m兩種。此外，為了提高該礦山大比例尺地形圖精度，此次測繪過程中根據測繪區域踏勘成果資料將測繪區域分解成3個子區塊，盡可能減少測繪盲區的出現和測量基站的站數，為提高測繪精度和測繪效率奠定基礎。在外業進行數據采集過程中，每站三維激光掃描任務完成后需立即檢核掃描數據質量能否滿足相應比例尺地形圖的基本精度要求，若所獲掃描數據質量達標，即可進行下一基站的測量任務；若所獲掃描數據的精度不能滿足相應比例尺精度要求，則需要及時查找造成精度降低的原因并及時開展重測工作，直至每一基站的掃描數據質量均達標為止。

2.3 坐標轉換與點云數據配準

由于三維激光掃描儀的掃描精度隨著掃描距離的增加而降低，因此，完成某一礦山大比例尺地形圖測繪工作需要進行多基站點云數據配準與坐標轉換工作，才能使得測繪區域的三維坐標信息統一至某一坐標系統下，相繼生產最終的地形圖[5]。利用三維激光掃描技術獲得的每一基站的掃描數據均為掃描儀內部的自定義坐標系統，即所有的點云數據系統是不統一的[7]。因此，在進行數據處理之前需要進行數據轉換，需要將測繪區域各個獨立的站點坐標系統統一至某一坐標系統中，但是為了提高各個獨立坐標系統之間的轉換精度，可以將測繪區域中的其他獨立坐標系統先統一至某一測站的局部坐標系統下，即通過利用相鄰站點之間多個同名控制標靶的配準提高坐標轉換精度。

點云數據的配準方式對點云數據的配準精度影響較大，一般可分為相對配準和絕對配準兩種方式。其中，點云數據的相對配準指的是以測繪區域某一站點的局部坐標系統為基礎，將其他各個獨立的點云坐標統一至該坐標系統之下，一般需要不同站點之間至少有3個同名標靶才能完成相應的數據配準。隨著測繪面積的增加，需要配準的獨立基站坐標系統數量也越多，使得傳遞誤差逐漸增大，因此，在基站數量多的測繪任務中不宜使用該種配準方式。點云數據的絕對配準方式是三維激光掃描測量與傳統的測量儀器（GPS、經緯儀、全站儀）等相結合，也就是利用其他單點測繪方式獲取每一基站的坐標系統和標靶的坐標，也意味著使用不同的測繪手段將目標點的坐標絕對化，進而將各個測站的坐標轉化至絕對的坐標系統下，因此，絕對配準方式不存在傳遞誤差，獲得的地形圖精度也更高。

2.4 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術的基本原理是以激光脈沖信號和目標表面反射的信號為基礎計算的三維坐標信息，因而，通過激光掃描獲得的點云數據除了包含地形信息，還包含了電線桿、房屋、樹木、植被以及大量的其他噪聲。因此，在生產大比例尺地形圖之前需要進行非地形數據信息的過濾和剔除工作。非地形信息數據的過濾和剔除一般是采用軟件平臺完成的，文章選用Cyclone軟件剔除樹木、植被、房屋、電線桿、高壓線以及其他噪聲，完成后根據1∶2000大比例尺地形圖要求按照一定等高間距手動提取測繪區域的高程點數據，進而自動生成相應比例尺的等高線。在自動生成等高線后，需要及時查看自動生成的地形線是否存在扭曲、不光滑，甚至是缺失等問題。若存在上述問題，需對比掃描時自動存儲的掃描照片進行手動修正，確保無誤后添加高程注記點、標準圖框等信息，進行地形圖圖面整飾以及核查工作，無誤后提交成果資料。

3 結束語

綜上所述，三維激光掃描技術與傳統的測繪技術相比，顯著地縮短了外業數據采集周期，減少了大量的外業工作，提高了測繪效率；使用三維激光掃描測量獲得的點云數據精度高，數據配準和坐標轉換技術相對較為成熟，生產的最終大比例尺精度高，能夠滿足相應比例尺地形圖的基本精度要求。但是，三維激光掃描技術所獲的點云數據不僅包含了測繪區域真實地形信息，還包含了大量的樹木、植被、房屋、電線桿、高壓線等以及其他噪聲，在噪聲剔除過程中尚未形成一套完整有效的點云數據處理并生產高精度地形圖的方法。因此，在今后的研究過程中應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。