礦山測繪中三維激光掃描技術的應用

張永敢

安徽省煤田地質局第三勘探隊 安徽 宿州 234000

引言

近年來，礦山行業發展步伐加快，為了科學合理制定礦山生產方案，確保礦山開采的安全性和高效性，提高礦產資源利用率，就需要做好前期的礦山測繪工作，這就對礦山測繪技術和測繪質量提出了較高的要求。在以往的礦山測繪工作中，主要是使用傳統的地形三維數據采集技術，此種測繪技術需要花費大量的時間，一旦遇到地形復雜區域，工作效率就很低而且采點困難度增加，無法滿足現階段高質量、高標準的測繪工作需求[1]。此種情況下，就需要將新型的三維激光掃描技術應用在礦山測繪工作中，借助于高精度的逆向三維建模和重構技術，對測繪區域的三維坐標數據和照片進行全面采集，以此為依據構建三維立體模型，在重構處理三維數據模型的基礎上，獲取真實準確的測繪區域地形信息，促進礦山測繪工作效率和質量的顯著提升。

1 三維激光掃描技術闡述

三維激光掃描技術的技術原理主要是以激光測距原理為基礎，借助于激光射器發出光線，當光線抵達到被測對象表面時會反射回來，接收器就會接收到反射信號，光轉換器可以將接收的反射光線轉化為電信號，通過終端件程序譯碼處理電信號，可以對被測對象表面測點的紋理、反射率、三維坐標值等信息進行全面獲取并詳細記錄，這樣就能構建全面詳盡、特定格式的三維數字化模型，看到直觀的測繪區域地形信息。三維激光掃描技術的測量過程是連續性的、全方位的，通過使用該項技術能夠對空間測量目標信息進行及時快速獲取，而且能夠獲取大量的目標坐標信息，在GPS技術的協助下提高測量信息的準確性，以大量精準的坐標信息為參考準確構建測量目標對象的三維模型，順利完成測繪任務。

2 三維激光掃描技術的技術優勢

三維激光掃描技術具有顯著的技術優勢，高效性、便捷性、高精度、數字化等都是它的突出特點。在礦山地質測繪工作開展中，相比于傳統的地質測量方式，三維激光掃描技術在非接觸測量、實時動態監測、數據采樣速率等方面發揮著至關重要的作用和價值[2]。

2.1 在非接觸測量方面

一般來說，礦山一般處在丘陵地帶或者高山地帶，這就導致礦山地質測繪項目面臨著較為復雜、惡劣的測區現場環境，如果仍舊采取傳統的人工測量方式，就需要測繪人員實地勘察測區現場，深入到測區內部，從而對測區內全部區域的基礎情況進行全面了解。此種測量方式的測繪工作量很大，需要花費大量的時間和精力，而且面臨著很大的危險，很可能發生安全事故，危及測繪人員的生命安全。通過將三維激光測繪技術應用在礦山測繪中，依托于技術的非接觸性特征，測繪人員不用到達測區現場就可以開展地質數據采集工作，通過將三維激光測繪儀器架設在相應位置上進行掃描，直接獲取被測對象的詳細數據信息，這樣外界環境就不會對數據采集質量產生較大的干擾，而且也能夠大大降低人工測量的誤差率，確保數據采集的準確性。

2.2 在實時動態監測方面

借助于通信技術實現計算機的有效連通，這樣三維激光掃描儀可以將所有采集的數據信息實時發送到軟件程序上，包含空間點位信息、物體表面紋理信息、坐標信息等等，這樣外業數據采集工作和內業數據處理工作就可以同步進行，測繪工作效率大大提升，在較短時間內就可以順利完成礦山地質測繪任務，對礦藏位置、礦藏深度等信息進行科學判斷，從而為后續礦產資源開采工作的統籌規劃和合理安排提供可靠的數據支持。

2.3 在數據采樣速率方面

采樣速率是指在單位時間內，對輸入信號進行采樣的速度，通俗來說，就是指計算機單位時間內能夠采集多少個信號樣本。一般來說，數據采樣速率越高，就會加快測繪工作效率，所測繪的礦山地形也會具有較高的精度。跟人工測量等傳統測繪技術相比，三維激光掃描技術的采樣速率要高出很多，采取脈沖測距法的情況下，三維激光掃描技術的采樣速率可以達到數千點/秒；如果采用的是相位測距法，三維激光掃描技術的采樣速率則可以達到數十萬點/s。

3 礦山測繪中三維激光掃描技術的應用流程

3.1 采集地質數據

在進行礦山地質數據采集時，具體操作如下，首先，需要提前勘察礦產區域的實際情況和周圍環境，以礦區現場情況為依據科學設置測區站點位置，并對站點數量進行嚴格控制，既不能太多也不能太少，保持在合理范圍內，而且掃描測站的間距控制在50m以下。一般來說，測區站點數量范圍為5-30個，站點一定要設置在合適位置上，避免出現測繪盲區。站點位置和站點數量都會對地質數據采集的準確性產生直接影響，相關工作人員一定要提高重視度。

其次，需要對礦山地質測繪項目要求進行全面研究，在充分了解的基礎上選擇合適的激光測距方法。脈沖測距法、激光三角法、相位測距法等都是常用的激光測距方式，它們的使用操作和應用特點存在差異，以實際需求合理選擇才能最大限度發揮出各激光測距方法的應有優勢[3]。通常來說，采取脈沖測距法即可滿足實際的地質測繪項目需求，需要將三維激光掃描儀的采樣點速率控制在每秒數千點范圍內；在脈沖測距法無法滿足要求的情況下，可以使用相位測距法，此時的三維激光掃描儀采樣點速率需要控制在每秒數十萬點范圍內。激光測距方法確定后，測繪人員就需要將三維激光掃描儀準確搭設在測點位置，三維激光掃描儀的架設位置需要盡可能高于控制點，同時進行設備調試工作，不僅要調試相機還需要設置測點參數，而且需要保證其與計算機進行有效聯通。

最后，測繪人員需要嚴格按照儀器操作方法和流程正確操作使用三維激光掃描儀，先進行掃面掃描作業，再進行細節掃描作業。以測點的分布密度和云集密度為參考，結合掃描儀與測量目標的間距，對掃面時間長度進行合理控制，避免掃面時間太短無法獲取全面的數據信息。一般來說，每個站點的掃面掃描時間可以設置為12分鐘，如果三維激光掃描儀與測量目標隔著較遠的距離，就可以根據實際情況對掃面掃描時間進行適量延長。

3.2 處理采集數據

地質數據采集完成后，就需要對所接收的被測物體輪廓集合數據進行有效處理，測繪人員可以借助專業的軟件程序進行坐標轉換處理、植被過濾處理、噪聲分隔處理圖像匹配處理，同時合理調整多站點，進行點云數據配準，生成三角網和等高線。當數據信息處理完成后，就可以直接導入到構建的目標模型中，形成直觀形象的數字化模型，至此，礦山地質測繪工作任務圓滿完成。

其中坐標轉換處理的主要作用在于，雖然三維激光掃描儀能夠實現GPS技術和全站儀的有機結合，但是數據采集精度還是達不到規定標準，只能初步呈現大致方向和坐標，還需要進行坐標轉換處理，正確糾正處理測量數量，確保測量數據保持在正確坐標上[4]。植被過濾處理是借助于全波形數字處理方法，對激光射線透過測區的地表植被進行科學控制，從而確保地面、地質結構內部的輪廓集合數據獲取的準確性，使得地表植物對測繪成果質量帶來的不良影響大大降低，直至全面消除。而多站點調整就需要使用到RiScan Pro 等一系列的軟件程序，測繪人員在軟件程序的協助下，將外業數據依次導入到程序中，拼接擬合處理各種圖片，使得圖片平差效果顯著改善，避免出現制圖接邊問題。噪聲分隔處理是指去 噪處理前期采集的云數據，這樣數據中夾雜的噪聲點就能夠徹底消除或者分隔開來，點云數據經過處理后就可以轉化為DEM 數字高程模型。三角網與等高線的生成可以提高軟件程序中所生成圖像的清晰度，從而對測區礦山的地質條件和環境進行清楚準確的描繪，原本存在的點位分布不均問題、信息混亂等問題都能夠得到有效解決[5]。圖像匹配處理是指在將礦山地質數據導入相同坐標系之前，所有站點采集的礦山地質數據都必須經過匹配處理，從而在定位系統作用下，執行定量分析、消除噪音、分析遙感數據等操作，以此來獲取全面詳盡的地質信息。當外業數據處理完成后，測繪人員就可以進行礦山地形圖編輯工作。按照操作步驟和流程進行空間數據、屬性數據、空間實體關系編輯，同時需要修飾圖廓、匹配等高線圖等。此外，測繪人員還需要對前期刪除的地形數據和部分缺失的等高線進行手動修改描補，有效提高礦山測繪質量，為后續各項工作的開展奠定堅實的基礎。

3.3 評定測繪成果精度

就礦山地質測繪項目的實際應用情況來看，由于受到多種因素的影響，包含儀器設備使用性能不達標、人為操作失誤、測區現場環境惡劣復雜等，導致礦山地質測量誤差時有發生，測繪結果達不到規定的精度要求。由于這些問題的存在，對三維激光掃描技術的全面推廣普及起到了一定的阻礙和限制作用，導致部分項目的測繪成果無法將測區的詳細地質條件真實、準確、詳盡的反映出來，無法為礦山開采工作提供有效的參考價值。因此，在礦山測繪中應用三維激光掃描技術時，做好測繪成果精度評定工作就顯得尤為重要，有著很強的必要性，能夠及時發現測繪結果的誤差地方，采取有效的補救措施進行科學處理，提高測繪結果的精度。

具體來說，測繪成果精度評定包含以下幾個方面的內容[6]，第一，科學評定平面絕對位置精度。測繪人員通過使用特征點擬合提取方式在軟件程度中執行點云切片操作，切片厚度不超過2cm，點云數據切片后，還需要執行近鄰點檢索擬合地形特征點操作，將測繪成果中的擬合錯誤點全部剔除出來。第二，科學評定平面相對位置精度。點云切片操作執行完成后，需要對地形圖、點云數據當中的地物邊長以及地物點間距進行對照分析，以對比結果為參考科學計算誤差部分，通過查看結果來合理判斷平面相對位置精度，確保平面相對位置精度達到項目測繪規定要求。第三，科學評定地形圖地理精度。在地形圖地理精度評定過程中，不僅需要使用人機交互檢查方式檢查對比所獲取的三維點云數據，還需要對比分析形圖地理精度和點云數據。通過對地理要素類型與符號使用偏差等情況進行逐條逐項分析，查看它們是否達到項目測繪標準，從而對地形圖地理精度進行科學判定。如果部分區域部位的精度不達標，就需要再次修改編輯，提高精確度。

4 結束語

綜上所述，將三維激光掃描技術應用在礦山測繪工作中，能夠確保礦山地質測繪任務高效率完成，獲取高質量的測繪地形數據，為后續工作的順利開展提供良好的基礎條件。因此，進行礦山測繪工作時，需要提高三維激光掃描技術重視度，全面掌握技術原理，嚴格按照它的應用流程開展作業，充分發揮出三維激光掃描技術的優勢所在，為測繪行業的高質量發展提供助力。