淺析礦山地質測繪中三維激光掃描技術的應用

馬旭東，張文君，楊元繼，劉晨陽，申 銳，何宗翰

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.國家遙感中心綿陽科技城分部，四川 綿陽 621010）

1 三維激光掃描技術概述

1.1 技術原理

基于激光測距原理，通過激光射器向被測對象發出光線，光線抵達物體表面后反射至接收器，由光轉換器將反射光線轉換為電信號，再將電信號發送至終端件程序進行譯碼處理，從而獲取并記錄被測物體表面測點的紋理、三維坐標值及反射率等信息，在程序中快速建立被測對象三維數字模型，完成測繪任務。簡單來講，則是采取激光掃射方式，在三維激光掃描儀與被測對象保持非接觸狀態下測得物體輪廓集合數據，將數據上傳至測繪系統執行數據預處理、提取地面地物、生成等高線等操作，最終輸出特定格式的曲面數字化模型。

1.2 技術優勢

三維激光掃描技術有著快速性、主動性、數字化、非接觸性、高精度與高密度等優勢，在礦山地質測繪項目中，與傳統單點測量方法相比，三維激光掃描技術優勢主要體現在非接觸測量、動態檢測、數據采樣速率高三方面。其一，在非接觸測量方面，由于礦山地質測繪項目的測區現場環境較為復雜，如果采取人工測量方法，需要測繪人員抵達測區內全部區域，不但加大了測繪工作量，還將面臨著諸多難題。而對三維激光測繪技術的應用，基于技術非接觸性特征，測繪人員可以與被測對象保持一段距離，操縱激光掃描儀發射激光回波信號來直接獲取被測對象數據信息，數據采集質量不受環境時空約束。其二，在動態檢測方面，基于通信手段聯通計算機，三維激光掃描儀即時將所采集的空間點位信息與物體表面紋理信息等發送至配套程序軟件，同時開展外業數據采集和內業數據處理作業，在短時間內斷面體積測量等礦山地質測繪任務，使測繪項目具備動態性、實時性的特征。其三，在數據采樣速率方面，采樣速率是單位時間內從連續信號中提取和轉換為離散信號的采樣個數，簡單來講則是單位時間內所采集信號樣本數量，采樣速率越高，則測繪作業效率與測量精度越高，而三維激光掃描技術的采樣速率在數千點/秒至數十萬點/秒不等，采樣速率遠高于人工測量等傳統測繪技術。

2 三維激光掃描技術在礦山地質測繪中的應用流程

2.1 地質數據采集

在地質數據采集環節，提前做好實地勘察工作，根據測區現場情況來布設一定數量的測區站點，合理選擇站點位置，嚴格控制站點數量，將掃描測站間距保持在50m以內，測站數量控制在5～30個左右，避免因站點位置選擇不當與數量過少而影響到數據采集準確性。同時，根據礦山地質測繪項目要求來選擇激光測距方式，常用方式包括脈沖測距法、激光三角法、相位測距法和脈沖-相位式測距法，一般情況下采取脈沖測距法即可，將三維激光掃描儀的采樣點速率保持在數千點/秒，必要情況下則采取相位測距法，將采樣點速率提升至數十萬點/秒。隨后，測繪人員在測點搭設與調試設備，按順序依次完成相機調試、三維激光掃描儀架設、聯通計算機、測點參數設置，盡可量在高于控制點的區域架設三維激光掃描儀。最后，操作三維激光掃描儀，依次開展掃面掃描與細節掃描作業，根據測點分布密度、云集密度與掃描儀和目標間距，合理選擇掃面時間長度，在一般情況下將每站掃面掃描時間設定為12min即可，如果掃描儀和被測目標間隔距離較遠，則適當延長掃面掃描時間。

2.2 數據處理

在數據處理環節，測繪人員使用軟件程序，對所接收的被測物體輪廓集合數據執行坐標轉換、植被過濾、多站點調整、噪聲分隔、三角網與等高線生成、圖像匹配等操作，將處理后的數據導入所構建目標模型中，生成特定格式曲面數字化模型，完成礦山地質測繪任務。其中，坐標轉換處理為，雖然三維激光掃描儀自身具備GPS系統，但數據采集精度有限，僅能做到對大致方向與坐標的呈現，需要對測量數據加以糾正處理，將其調整至正確坐標。植被過濾處理為，運用全波形數字處理方法，控制激光射線透過測區地表植被來獲取地面及地質結構內部的輪廓集合數據，消除地表植被對測繪成果質量造成的影響。多站點調整為，測繪人員使用RiScan Pro等系列軟件程序，在程序中導入外業數據，對若干圖片加以拼接擬合處理，以此來改善圖片平差效果，解決制圖接邊問題。噪聲分隔處理為，對所采集點云數據執行去噪處理，消除或分隔數據中夾雜的噪點，再將處理后的點云數據轉換為DEM數字高程模型。三角網與等高線生成為，使得軟件程序中所生成圖像可以更為清晰、準確的描述測區礦山地質條件，解決點位分布不均、掃描密度過大、信息混亂等實際存在的問題。而圖像匹配處理為，將各處站點采集的礦山地質數據經過匹配處理后導入相同坐標系，基于定位系統作用來獲取詳細地質信息，便于定量分析、目標構模、遙感數據分析和消除噪音等操作的執行。在內業數據處理完畢后，即可編輯礦山地形圖，執行空間數據編輯、屬性數據編輯、空間實體關系編輯、圖廊整飾、鄰圖接邊、等高線圖形和地面物體圖形匹配等操作，由測繪人員手動修改前期刪除的地形數據和缺失等高線，完成測繪任務。

2.3 測繪成果精度評定

在礦山地質測繪項目中，根據實際應用情況來看，受到儀器設備、人為操作、測區現場環境等多方面因素影響，易產生測量誤差，測繪結果精度有待提高，這一問題的存在，限制了三維激光掃描技術的推廣普及，導致部分項目的測繪成果無法真實、準確反映測區地質條件，缺乏實際參考價值。因此，在應用三維激光掃描技術時，必須做好測繪成果精度評定工作，發現并處理測繪結果的誤差部分，而精度評定項目包括平面絕對位置、平面相對位置、地形圖地理精度。其一，對平面絕對位置精度的評定，需要采取特征點擬合提取方式，由測繪人員在軟件中執行點云切片操作，將切片厚度保持在2cm內，再對切片后的點云數據執行近鄰點檢索擬合地形特征點操作，并使用魯棒迭代算法來剔除擬合錯誤點。其二，對平面相對位置精度的評定，執行點云切片操作，對照分析地形圖和點云數據當中的地物邊長以及地物點間距，在對比結果基礎上開展中誤差計算，依照計算結果來判斷平面相對位置精度是否達到項目測繪要求。其三，對地形圖地理精度的評定，對所獲取三維點云數據開展人機交互檢查、地形圖地理精度和點云數據對比操作，在檢查對比過程中，逐項分析地理要素類型與符號使用偏差等情況是否符合項目標準，從而判定地形圖地理精度，對精度不達標部位進行重復編輯，如變更地理符號。

3 三維激光掃描技術在礦山地質測繪中的應用形式

3.1 車載激光掃描系統

在礦山地質測繪項目中，車載激光掃描系統由三維激光掃描技術和車載移動測量技術加以組成，有效彌補了三維激光掃描設備移動不便的技術短板，使得測繪效率得到明顯提升，可在短時間內完成礦山地質測繪任務，因而車載激光掃描形式逐漸取代了常規的3D激光掃描形式。而車載激光掃描系統與常規三維激光掃描系統的主要區別在于，以車輛為測量平臺，在車頂部位安裝三維激光掃描儀、攝像機和固定升降設備，在礦山地質測繪期間，測量人員在系統平臺上實時下達控制指令，用于調整三維激光掃描設備及攝像頭的高度與朝向角度，即時將所采集被測對象輪廓集合數據與視頻圖像資料上傳至內業數據處理軟件，視頻圖像資料起到約束數字模型、優化處理外業采集成果、控制測量誤差的作用。

此外，對車載激光掃描系統的應用，雖然可以顯著提升礦山地質測繪效率和測量精度，但此類應用形式的適用條件較為嚴格，要求測區現場地勢較為平坦，且因車輛體積所形成的測量盲區不會明顯影響到測繪成果質量，如果未滿足各項應用條件，則需要在礦山地質測繪項目中采取3D激光掃描儀形式，或是組合應用車載激光掃描與3D激光掃描形式。

3.2 3D激光掃描儀

3D激光掃描儀由掃描儀和支架、電源供應模塊等配套結構加以組成，在取消反射棱鏡的條件下，通過發射光線與接收反射光束，將激光分成2束，分別用于照射底片與照射被測對象，從而記錄被測對象表面密集點信息，高效完成掃描操作，準確獲取各點位三維坐標值。與常規測繪技術相比，3D激光掃描儀有著可在非接觸條件下獲取目標對象數據點、使用面測量方式取代單點測量方式、分辨率與數據采集效率高、可準確描述目標對象立體結構、測量范圍大、測點分布規律等優勢，且此項技術的適用范圍較廣，可以在各種測區環境中加以應用。但是，3D激光掃描儀的操作流程較為繁瑣，如果所架設3D激光掃描儀未與全部測點保持良好光學通視條件時，需要拆卸3D激光掃描儀與配套設備，將其運至其他站點進行安裝、調試與采集外業數據。因此，測繪單位需要加大對三維激光掃描技術的研究力度，將車載三維激光掃描儀和機載激光三維雷達探測作為技術未來發展方向。例如，在3D激光掃描儀系統基礎上，組合運用GPS系統和INS慣性導航系統，并在飛行器平臺上搭載高分辨率數碼相機，使其共同組成光機電一體化的機載激光三維雷達系統，負責快速采集激光點云數據，即時將數據發送至處理軟件來獲取DOM數字正射影像信息、DEM數字高程模型以及DSM數字表面模型。

4 結語

綜上所述，為突破傳統測繪技術的局限弊端，更好的完成礦山地質測繪任務，全面提高測繪質量與作業效率。因此，測繪單位應加大對三維激光掃描技術的應用力度，深入了解技術原理、優勢與作業流程，建立起完善的三維激光掃描技術應用體系，以推動我國測繪事業的健康、穩步發展。