三維激光掃描儀在地形測繪中的應用

李善宏，付 彪，陳元壽，周延鋒

（西部礦業股份有限公司，青海 西寧 810000）

隨著社會的發展及科學技術的進步，智慧化礦山、數字化礦山的建設也加快了步伐，礦山測量工作邁入了信息化時代，大比例尺地形圖測繪作為礦山建設的基礎，顯得尤為重要，提高大比例尺地形圖測繪的精度和效率、建設精準的地表模型及地形圖對礦山生產至關重要，也是數字化、智慧化礦山建設的重要一環。

1 三維激光掃描技術的技術原理

三維激光掃描儀是通過控制點進行設站、利用定向點或內置羅盤進行定向，利用激光脈沖測距的原理，將被測物體表面的三維坐標、地物地貌特征、反射率、紋理等信息準確記錄，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。通過對點云數據的處理、抽稀、拼接等過程，構建地表三維模型，繪制等高線等。

2 三維激光掃描儀的特點

三維激光掃描儀獲取點云數據時無需直接接觸被測物體表面和使用反射棱鏡，三維激光掃描儀的這種特點彌補了傳統測量儀器的不足，儀器利用脈沖原理直接獲取被測物體表面的三維坐標；通過對點云數據的拼接、抽稀等處理，可應用于AUTOCAD、南方CASS、DIMINE等軟件中。三維激光掃描儀具有以下優點。

2.1 非接觸性

三維激光掃描儀測量被測物體時不需要接觸被測物體的表面，也不需要使用反射棱鏡，從而在對危險區域進行測量作業時人員無需至進入危險區域，減少了對人員和設備的危害程度，具有較高的安全系數。

2.2 高精度

三維激光掃描儀對被測物體進行測量時，只需要在第一次設站時進行坐標定向作業，對其他測站的數據以首站為基準進行配準，減少了傳統測量儀器反復設站的誤差；三維激光掃描儀測量時，其原理為對掃描的距離和掃描的角度通過激光脈沖的形式進行測量，自動計算被測物體的三維坐標，因而具有高精度的特點。

2.3 全天候

三維激光掃描儀測量物體時，不需要光源和棱鏡，為主動測量，不受空間形態和時間因素的影響，可進行夜間、無光源井巷和空區等各種空間狀態下的測量，也可用于建筑、大壩、尾礦庫等的變形監測，應用范圍廣。

3 數據采集及處理

圖1 處理后點云數據

3.1 外業數據采集

外業數據采集工作是三維激光掃描儀進行地形測繪的基礎工作，主要目的是獲取測區范圍內的地物地貌的準確特征，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，在執行掃描任務時需要根據掃描儀型號、比例尺大小等參數設置掃描最大距離，以確保每次掃描精度能夠滿足制圖基本需求[1]。在外業數據采集時，為了保證測量的精度，可根據測區的復雜程度和遮擋物的密集程度，選擇合理的檔位進行測量，同時為保證后期數據拼接的準確性，在測量作業時，必須保證測站與測站之間點云數據的重疊度。

3.2 點云數據拼接與處理

掃描的測量數據，一般情況下，首站是以坐標定向進行設站，其他數據基本為自由設站，必須將所有數據以坐標設站為基準，進行配準工作。點云數據拼接時，根據設站間距調整配準基數，保證拼接的準確性，對測站較密，點云數據重復率高的測量作業，可先進行自動定位，再進行精確配準；對點云數據重復率低的作業，通過平移、配準、手動旋轉等操作，保證點云拼接的準確性。

對拼接好的點云數據，進行無效地物、反射點等的處理，根據繪圖精度需要，再進行抽稀處理，使圖形達到相應制圖要求。主要因測量時整個測區是范圍測量，在植被較為復雜的測區，必須進行植被、地物等雜點的刪除，剔除對等高線的影響，保證地形圖繪制的準確度，抽稀處理時可根據測區范圍、地形復雜程度、地物特性等因素，合理確定抽稀間距。

4 大比例尺地形圖繪制

4.1 繪制地形表面

用處理的點云數據，繪制地形表面，以檢查點云數據處理中存在的誤差，通過對地形表面的分析，尤其是對存在的三角面片凸起、雨雪天氣采集的反射點、地物點形成的獨立峰，進行削峰處理。數據過濾后，最終形成精確的地形表面模型。

圖2 地形表面模型

4.2 繪制等高線

根據地形表面，二次處理的點云數據，可直接利用軟件形成等高線，并根據地形表面，繪制坡頂、坡底線，將地物圖形與等高線圖形進行疊加、編輯，同時由于切除了地物部分數據，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對照測量區域照片及點云數據，手動進行修改，加上高程注記，生成圖視圖例圖廓，進行局部修飾。

圖3 地形等高線

4.3 編輯地形圖

在地形圖的編輯過程中，可以將地面一些物體的圖形和等高線進行重疊對比，進行相關的編輯。因在點云數據處理期間會造成其中一部分地形圖數據被刪除，導致等高線的缺失，影響到具體編輯工作，在這種情況下，就要進行手動修改，根據各項資料和一些實際反饋數據的添加來進行地形圖的編輯。同時可將地形圖的完善工作應用到其他測繪軟件中，通過這些軟件來進行地形圖的編輯，從而保證地形圖的準確性和完整性，對測繪工作進行完善[2]。

5 工程應用

為準確計算我公司地表恢復治理二期工程填挖方量，先對地表進行三維激光掃描測量，經過數據拼接、處理，建立地表模型，通過兩期模型對比，計算填挖方量，并進行地形圖的繪制，將繪制的地形圖利用南方CASS軟件，進行兩期方量計算、對比，結果基本一致。

圖4 方量計算應用

6 結語

三維激光掃描儀在我公司地形測繪中的應用與傳統測量對比，三維激光掃描技術，在地形測繪中，能夠更加精確的反應地表地物、地貌特征，且形成的等高線相對于RTK、全站儀測量更加準確；對填挖方量的計算更加便捷，不受時間、空間形態所限制。因此，三維激光掃描技術能夠更好的應用于地形測繪中，保證測量的精度與效率，在大比例尺地形測量中也會得到更大的發展。