三維激光掃描技術在礦山邊坡變形監測中的應用研究

陳兆良，劉 偉

（江西有色地質測繪院，江西 新余 338000）

在社會經濟及科學技術不斷發展的背景下，三維激光掃描技術在各個行業領域得到廣泛應用，尤其在礦山生產活動中體現出較大優勢，可幫助工作人員更好地完成礦山邊坡變形監測工作，為礦山安全生產管理提供可靠依據。與傳統技術相比，三維激光掃描技術體現出數據采樣率高、環境適應性高、立體性、穩定性等特點，可滿足礦山邊坡變形監測的需求，使監測結果的準確性得到保障。通過深入分析三維激光掃描技術特點，探究三維激光掃描技術在礦山邊坡變形監測中的應用，有利于提出一些可靠的參考依據，促進三維激光掃描技術在礦山邊坡變形監測中的有效應用。

1 三維激光掃描技術的特點分析

1.1 數據采樣率高

在應用三維激光掃描技術的時候，經常使用脈沖掃描儀進行測量，這一設備的測量速度較高，可達到每秒5萬點。同時，該技術采用的相位式掃描儀能達到沒秒120萬點的測量速度，突出了單點模式能對物體空間信息進行全方位采集[1]。

1.2 環境適應性高

一般在工程測量活動時，都選擇無線傳輸的方式對獲取的數據進行傳輸，這一過程必須考慮到氣候及其他外部因素產生的影響，無線傳輸自身的信號延遲和不穩定性也是影響信息傳輸的重要因素。而三維激光掃描技術能解決這些問題，可充分適應環境的復雜性，對信息傳輸的延遲問題進行處理，避免出現信號干擾、信號傳輸丟失等情況。

1.3 立體性

三維激光掃描技術體現出較強的立體性，可獲得立體的測繪數據，能對邊坡整體情況進行全面了解。在傳統的測繪工作中，測繪人員只能獲得平面二維的測繪圖形，必須與其他地面測繪相結合，才能得到立體的測繪數據，這一過程存在測繪誤差大、測繪工作慢等情況。但是在應用三維激光掃描技術時，可在各個位置進行標靶設置，通過測量測繪，獲得立體的測繪數據，之后進行數據評估，對礦山邊坡變形的實際情況及發展趨勢進行分析，制定合理的解決辦法。

1.4 穩定性

三維激光掃描技術體現出較強的穩定性，將設定好的標靶作為基點，對各個區域進行測繪測量，獲得精確、完整的測繪圖像[2]。三維激光掃描技術的操作示意圖如下所示。

圖1 三維激光掃描技術的操作示意圖

2 三維激光掃描的工作流程分析

根據三維激光掃描技術的應用情況分析，其工作流程分為前期準備、標靶、測站設計、掃描作業、數據分析及測繪、結果評估等多個部分，需要掌握規范地工作流程才能促進各項工作的順利進行[3]。總體而言，三維激光掃描的具體工作流程如下：

（1）前期準備。良好的準備工作是保證后續工作得以順利進行的基礎，其主要內容為測量目標的設定、測量區域的規劃、測量基站的規劃、測量設備的購置等。同時，需要做好設備檢測，保證測量設備處于安全穩定的運行狀態。

（2）標靶。可在礦山邊坡的各個區域進行標靶設置，利用三維激光掃描設備中的坐標系對其進行調整，方便對標靶進行識別和應用。對于標靶的設置，不能在同一直線上進行多個標靶的設置，且需要考慮遮擋物產生的影響。

（3）測站設計。一個站臺的輻射范圍中需要設置3個或3個以上的不同坐標標靶，對臺站間的測量數據連接質量進行提升。

（4）掃描作業。以測站位置為依據，做好設備掃描、換站掃描和參數校準工作，且保證在間隔測站之間的儀器掃描分辨率的相同，減少數據差異，實現良好的圖像銜接和測量效果。

（5）數據分析及測繪。在掃描工作中做好測量數據分析，完成數據和坐標校準工作。

（6）結果評估。在全周期的測量工作中，做好監測數據的評估及分析，對礦山邊坡變形情況進行判斷，結合邊坡變形監測的工作需要，調整標靶位置，并出具監測結果。

3 三維激光掃描技術在礦山邊坡變形監測中的應用方法分析

3.1 外業數據采集

將三維激光掃描技術應用到礦山邊坡變形監測中需嚴格做好外業數據采集工作，掌握礦山邊坡的地理位置，借助三維掃描儀器對監測對象進行掃描。在三維掃描儀器的運行過程中，其數據掃描應做到逐站進行，且整個過程應選擇“分站-分景”的方式完成數據掃描，以獲得自身需要的信息數據。具體而言，在坡體的上、中、下等位置進行分站的建設，利用“圓形區域”對每個分站進行掃描。同時，在借助三維掃描儀器進行數據掃描時，不能直接使用三維激光獲得數據信息，必須先做好數據的預處理工作，將其中存在誤差的信息數據清除，以便能為DME模型的構建提供準確、可靠的信息數據[4]。

3.2 數據處理

在完成數據采集后，應嚴格做好數據處理，確保數據處理的各個環節符合要求，避免因考慮不足造成數據誤差。就實際情況分析，數據處理需要通過點云數據匹配、各景掃描數據絕對定位及拼接、坡體DEM模型生成等多個技術環節完成，具體如下：

（1）點云數據匹配。這一環節的主要目的就是采用“標志點匹配法”等對“點云坐標”進行轉化，使其成為“大地坐標”。第一，將空間坐標和距離值作為依據，對坡體第一幅點云標志點的集合進行處理，并做好動態化的分層劃分，使其成為多層嵌套。第二，基準為坡體第一幅點云，將其與坡體第二幅點云的標志點進行匹配，且點云標志點匹配時考慮運動規律預設的數據采集區域，利用“區域數據匹配法”將處理后數據引入對應的數據層，并做好預測估計，根據具體情況進行數據層的修改，使其能達到最優狀態。

（2）各景掃描數據絕對定位拼接。各個分站位置原點的三維坐標系坐標被稱為點云坐標，那么在坡體DEM模型的構建中，必須在同一坐標的情況下呈現出各景點云坐標。將實測位置的原則落實，在同一坐標系中進行各坐標系的分景點云數據的描述，形成完整的三維物體，這一環節即是多視點云拼接。一般在數據處理中，普遍都是采用ICP算法和標定物拼接，完成點云拼接的工作。其中ICP算法體現出操作簡單、精確性高等特點，還可以無反射體的形式進行掃描，但是必須考慮到耗費時間較多是迭代過程中常見的問題。而標定物拼接體現出較高的效率，只需解一組線性方程組，然而精確率不足是這一方法的主要缺陷。因此，需根據實際情況對其進行合理選用，做好相應的控制管理[5]。

（3）坡體DEM模型生成。采用CYCLONE軟件等現代化手段進行坡體DEM模型構建，將軟件具有的數據導出功能充分發揮出來，實現掃描格式IMP轉化為用戶需求格式IMP。同時，任意一個時間段的DEM應利用坐標完成統一描述，使其能在同個坐標系統中呈現，可選擇求差的方法客觀分析礦山邊坡的變形。在同水平坐標點的高程出現變化后，依據初始化的DEM數據進行分析，做好后面DEM的內插計算，確認坡體的變化程度。

4 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在礦山邊坡變形監測中體現出較大優勢，需要提高對三維激光掃描技術的掌握程度，將其合理應用到邊坡的變形監測中，幫助工作人員處理邊坡變形的隱患，改善礦山生產的環境，進一步促進礦山生產企業的健康穩定發展。