三維激光掃描技術(shù)在礦山開采邊坡形變監(jiān)測中的應(yīng)用

姜利揚(yáng)

核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江湖州 313000

1 三維激光掃描儀原理優(yōu)勢

三維激光掃描儀采用主動發(fā)射掃描光源（激光），通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標(biāo)物體的空間數(shù)據(jù)信息，因此在掃描過程中，不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間的約束[1]。例如長距離三維激光掃描儀MaptekLR3-CT，特點(diǎn)速度快（每秒20萬點(diǎn)），距離遠(yuǎn)（1200m），精度高（4mm），可架站掃描、也可以車載掃描，可應(yīng)用于：大區(qū)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(shí)時(shí)監(jiān)測、巖土工程分析、施工質(zhì)量檢測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，危巖體調(diào)查等。超長距離三維激光掃描儀MaptekLR3-CT優(yōu)勢：

（1）長測程三維激光掃描儀，最大測程2400m，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，保障了測量人員的安全。

（2）內(nèi)置測量型望遠(yuǎn)鏡，可用于做后視，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)如果都做了后視，則內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)無需進(jìn)行拼接，既保障了數(shù)據(jù)精度，又提高了內(nèi)業(yè)效率。

（3）內(nèi)置線性數(shù)碼相機(jī)，在采集點(diǎn)云的同時(shí)采集影像信息，節(jié)約了外業(yè)時(shí)間，并且提高了點(diǎn)云與影像的耦合度。

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

（5）工作溫度：-40℃～50℃，保障了設(shè)備在不同溫度下的正常使用。

（6）重量輕，設(shè)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(yùn)方便，可以單手提，也可以雙手抱。

（8）控制平板電腦可實(shí)時(shí)三維查看掃描數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測量盲區(qū)，及時(shí)補(bǔ)測。

（9）激光發(fā)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(bǔ)償范圍5度，補(bǔ)償精度20秒，可實(shí)現(xiàn)快速架站；

（11）擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)車載掃描、可實(shí)現(xiàn)邊坡變形監(jiān)測、可實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析、可實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量檢測等。

（12）功能強(qiáng)大的后處理軟件。

（13）一機(jī)多用（常規(guī)測量、邊坡監(jiān)測、巖土工程分析、施工質(zhì)量檢測等），提高了設(shè)備的利用率。

2 三維激光邊坡施工監(jiān)測

PerfectDig軟件使用流程簡便，操作合理優(yōu)化。用戶到達(dá)現(xiàn)場，一鍵掃描，即時(shí)采集施工現(xiàn)場三維數(shù)據(jù)，并自動進(jìn)行拼接；再次一鍵點(diǎn)擊，即可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比、查詢和分析。軟件內(nèi)置高級處理工具，包括橫截面、塊體輪廓線截取、施工與設(shè)計(jì)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(qū)域，即可自動生成施工與設(shè)計(jì)一致性檢驗(yàn)報(bào)告；成果報(bào)告既可以通過移動電子設(shè)備查看，也通過在線平臺發(fā)布，與其他相關(guān)人員分享。

3 三維激光掃描技術(shù)在邊坡測量中的應(yīng)用

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程

對礦山邊坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(biāo)點(diǎn)的掃描方式，在同一位置對礦山邊坡體進(jìn)行多次掃描。在掃描時(shí)，以當(dāng)天日期、前后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)排序?yàn)閿?shù)據(jù)命名的方式，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集工作。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。在實(shí)地進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，還需要對掃描設(shè)備進(jìn)行多視角、多站點(diǎn)的掃描，才能獲得完整的監(jiān)測區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中，將地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RISCAN PRO軟件中，將布設(shè)測站控制點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入時(shí)把測量坐標(biāo)和掃描站點(diǎn)坐標(biāo)一一對應(yīng)，并注意坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換及儀器的高度。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)圖形確定北方向，然后進(jìn)行粗拼，根據(jù)不同測站點(diǎn)的相同特征點(diǎn)進(jìn)行粗拼，為了提高粗拼精度，一般選取拐角點(diǎn)、墻角點(diǎn)、標(biāo)語處等明顯特征點(diǎn)進(jìn)行拼接，粗拼接一般可達(dá)到厘米級精度。

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

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取。將礦山邊坡前后不同時(shí)段掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用ICP優(yōu)化算法統(tǒng)一拼接坐標(biāo)后，對不同時(shí)段掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，提取的礦山邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映礦山邊坡的地表面特征狀態(tài)。

總之，本文將三維激光掃描技術(shù)引入到礦山邊坡中，結(jié)合常規(guī)GNSS測量、水準(zhǔn)測量、全站儀測量等手段，突破了常規(guī)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到高精度成果，其成果精度完全滿足礦山邊坡的標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)上述分析和測試實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：①三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用完全可行，通過三維激光掃描技術(shù)能夠獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(gè)很好的選擇，可以用全站儀的功能進(jìn)行設(shè)站掃描，引入絕對坐標(biāo)，掃描的點(diǎn)云成果有絕對坐標(biāo)且避免了不同掃描站點(diǎn)云拼接帶來的誤差。