三維激光掃描技術在礦山開采邊坡形變監測中的應用

姜利揚

核工業井巷建設集團有限公司 浙江湖州 313000

1 三維激光掃描儀原理優勢

三維激光掃描儀采用主動發射掃描光源（激光），通過探測自身發射的激光回波信號來獲取目標物體的空間數據信息，因此在掃描過程中，不受掃描環境的時間和空間的約束[1]。例如長距離三維激光掃描儀MaptekLR3-CT，特點速度快（每秒20萬點），距離遠（1200m），精度高（4mm），可架站掃描、也可以車載掃描，可應用于：大區域地形測量、露天采坑測量、排土場測量、尾礦庫測量、建筑物測量、邊坡變形實時監測、巖土工程分析、施工質量檢測、地質災害調查，危巖體調查等。超長距離三維激光掃描儀MaptekLR3-CT優勢：

（1）長測程三維激光掃描儀，最大測程2400m，可實現遠程數據采集，保障了測量人員的安全。

（2）內置測量型望遠鏡，可用于做后視，外業數據采集時如果都做了后視，則內業數據處理時無需進行拼接，既保障了數據精度，又提高了內業效率。

（3）內置線性數碼相機，在采集點云的同時采集影像信息，節約了外業時間，并且提高了點云與影像的耦合度。

（4）高防護等級，IP65的防護等級，是目前超長距離三維激光掃描儀中最高的，保障了設備在惡劣環境下的正常使用。

（5）工作溫度：-40℃～50℃，保障了設備在不同溫度下的正常使用。

（6）重量輕，設備重量為9.4kg，是目前超長距離三維激光掃描儀中最輕便的一款。

（7）搬運方便，可以單手提，也可以雙手抱。

（8）控制平板電腦可實時三維查看掃描數據，及時發現測量盲區，及時補測。

（9）激光發散角0.25mrad，是目前超長距離三維激光掃描儀中最小的。

（10）傾斜補償范圍5度，補償精度20秒，可實現快速架站；

（11）擴展性強，可實現連續車載掃描、可實現邊坡變形監測、可實現邊坡穩定性分析、可實現施工質量檢測等。

（12）功能強大的后處理軟件。

（13）一機多用（常規測量、邊坡監測、巖土工程分析、施工質量檢測等），提高了設備的利用率。

2 三維激光邊坡施工監測

PerfectDig軟件使用流程簡便，操作合理優化。用戶到達現場，一鍵掃描，即時采集施工現場三維數據，并自動進行拼接；再次一鍵點擊，即可將現場數據與設計方案進行對比、查詢和分析。軟件內置高級處理工具，包括橫截面、塊體輪廓線截取、施工與設計偏差查詢等。用戶可輕松獲取超挖量、欠挖量、挖方偏差范圍尺寸等。用戶只需圈定待評估區域，即可自動生成施工與設計一致性檢驗報告；成果報告既可以通過移動電子設備查看，也通過在線平臺發布，與其他相關人員分享。

3 三維激光掃描技術在邊坡測量中的應用

3.1 外業數據采集過程

對礦山邊坡體點云數據的采集，采用Riegl VZ-1000地面型三維激光掃描儀，采用固定單站坐標點的掃描方式，在同一位置對礦山邊坡體進行多次掃描。在掃描時，以當天日期、前后期點云數據排序為數據命名的方式，進行點云數據的外業采集工作。

3.2 內業數據處理過程

（1）點云數據的拼接。在實地進行監測時，還需要對掃描設備進行多視角、多站點的掃描，才能獲得完整的監測區域三維點云數據。在后續的點云數據處理過程中，將地面三維激光掃描的點云數據導入RISCAN PRO軟件中，將布設測站控制點的坐標導入軟件，導入時把測量坐標和掃描站點坐標一一對應，并注意坐標軸的轉換及儀器的高度。根據掃描數據圖形確定北方向，然后進行粗拼，根據不同測站點的相同特征點進行粗拼，為了提高粗拼精度，一般選取拐角點、墻角點、標語處等明顯特征點進行拼接，粗拼接一般可達到厘米級精度。

（2）點云數據的濾波。點云數據濾波的目的是裁剪掉與所需礦山邊坡體表面無關的點云。在點云數據獲取的過程中外界環境因素的影響、邊界阻塞、掃描目標的反射性差異和多路徑條件下，使點云數據產生離群點、孔洞以及噪點等[2]。在點云中最常見的是離群點，指偏離其余觀測點而引起誤差的觀測值，主要表現為與鄰近區域有出入且不符合所處局部的幾何表面形態。點云粗差的存在會影響后續點云模型的建立和分析，因此點云數據濾波是點云預處理中必不可少的步驟。在點云數據處理過程中，應根據實際情況對點云數據進行手動去噪等預處理。對原始數據采用手動編輯的方式去除明顯的噪點和孤點，手動選取特定的掃描監測區域進行處理，即通過框選的命令把需要去除噪點的區域顯示，通過旋轉或平移從各個角度觀看點云數據，方便對噪點數據的去除，高效的去除無關的噪點，得到高質量的點云數據。然后采用點云濾波處理非地面點云，得到去除噪點后的礦山邊坡點云數據。

（3）點云數據的提取。將礦山邊坡前后不同時段掃描的點云數據采用ICP優化算法統一拼接坐標后，對不同時段掃描的點云數據進行提取，提取的礦山邊坡點云數據能夠真實反映礦山邊坡的地表面特征狀態。

總之，本文將三維激光掃描技術引入到礦山邊坡中，結合常規GNSS測量、水準測量、全站儀測量等手段，突破了常規測繪手段無法獲取礦山完整信息的局限性，通過獲取的海量點云數據，得到高精度成果，其成果精度完全滿足礦山邊坡的標準。

據上述分析和測試實驗得出結論：①三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用完全可行，通過三維激光掃描技術能夠獲取海量的點云數據，能夠獲取高精度的成果。②采用帶全站儀功能的掃描儀是一個很好的選擇，可以用全站儀的功能進行設站掃描，引入絕對坐標，掃描的點云成果有絕對坐標且避免了不同掃描站點云拼接帶來的誤差。