探析地面三维激光扫描系统在矿山地形测量的应用

束立勇

（盐城市海域使用动态监管中心，江苏 盐城 224002）

伴随资源不断有效开发和利用，矿山这项资源正越来越少。科学合理的管理和集约化利用现已成为当前矿山实现可持续发展目标的关键工作。建立数字矿山在很早就成为信息化管理工作重要措施，也是不断推动发展的重要支撑。三维激光扫描的测量方式以非接触式为主，采用高速激光进行，在环境和条件复杂的现场及空间对目标实施快速扫描与测量，以此获取目标接收激光的具体方向、斜距与天顶距，并确定激光的反射强度，对所得数据进行自动存储，同时根据要求进行计算，最终得到符合要求的点云数据。利用计算机对点云数据进行分析处理后，可以很快的速度完成三维模型的构建，并提高灵活性，为测量的实施提供方便。

1 概述

矿山地形条件大多十分复杂，利用传统测量方式，如GPS与全站仪，很难实现高精度要求，而且测绘效率差，费时费力。近几年快速兴起和发展的采用三维激光扫描进行地形测量的新技术，能为实际的矿山地形测量工作提供有效解决手段。然而，对采用这项技术得到的数据，怎样才能快速完成分析处理，并根据分析处理结果进行地形图绘制，是现在必须重视和解决的关键问题。对此，在充分考虑相关测量经验的基础上，围绕矿山地形测量工作主要特点及难点，需要分析并提出一套合理可行的基于激光扫描的流程及方法，同时这一工作流程需要包含野外测量、数据分析和处理以及快速成图三个基本内容。其中，在野外测量过程中，应考虑将GPS与三维激光测量两者进行充分结合；在数据的分析处理过程中，应重视坐标转换与拼接以及非地面点自动过滤，以便生成需要的等高线或是DEM；而在快速成图过程中，要满足多个比例尺成图要求，并尽可能加快成图的速度。根据上述基本流程和方法，需要用到合适的软件编程语言，如IDL等，据此编制适应矿山地形测量工作的软件。这一软件的合理应用，既能对非地面点实施自动过滤，还能实现快速成图，为成图提供可靠的参考依据。

2 三维激光地形测量

（1）基本原理。三维激光地形测量由于能获取大量的坐标数据，且数据的准确度高、数据扫描快，在近几年得到了十分广泛的应用，在很多行业都会用到。对于三维激光扫描，其扫描系统主要由激光测距装置与反射棱镜两部分组成。其中，激光测距装置能主动发出激光，同时对从目标上反射产生的信号予以接收，以此完成测距。对任何扫描点都能测出斜距，通过水平与垂直两个方向上的扫描，还能得出测站和扫描点位之间的坐标差，如果测站三维坐标为已知值，则可直接获得扫描点对应的三维坐标。这一扫描装置的最大扫描距离可以达到1km左右，在最远距离条件下，测量精度在±10mm左右，总测量精度在±5mm左右，在水平方向上，可实现全角度扫描，而垂直方向的扫描范围只有0°～80°[1]。

（2）坐标转换及拼接。通过三维激光测量得到的相关数据是与仪器自身数据相对而言的。根据实测数据测绘地形图时，应对数据进行转换。而借助GPS与扫描装置能完成对坐标的多种转换。测量的基本原理为：借助GPS获取各类空间坐标，并利用扫描装置获取相对坐标，利用公共坐标对坐标进行转换处理。这一方法在地形测量工作中十分适用，能明显加快测量的速度，同时提高拼接精度。

（3）快速过滤。得到激光点云后，怎样以较快的速度获取所有地面点数据，是地形测量及计算工作的重难点。为有效解决这一实际问题，可采用快速过滤方法。首先，对激光点云进行分块，同时在确定空间索引关系以后，对所有非地面点实施自动过滤。对于滤波，应充分考虑存点在所在网格，同时对其予以准确计算，通过计算得到的结果通过索引进行动态存储，为后续迭代计算提供准确的基础数据[2]。

3 基本流程和软件开发

（1）基本流程。采用激光扫描进行矿山地形综合测量时，主要完成以下三个步骤：第一步为野外测量；第二步为资料整理和分析；第三步为快速成图。其中，对于野外测量，主要包含下列内容：激光扫描操作、设置反射片、利用GPS技术进行测量；对于资料整理和分析，主要包含下列内容：坐标相互转换、非地面点的自动过滤、DEM建立；对于快速成图，主要包含高线与地物等的快速成图。

（2）软件开发。为实现数据快速处理与快速成图目标，可利用IDL等工具编制以海量数据为基础的对矿山地形进行快速处理的专门软件，即LIDARVIEW。其中，IDL是直接面向于矩阵，具有语法简单等特征的可视化编程语言，能在所有领域中使用，实现包含数据读取和计算、三维建模等在内的功能。由于这一编程语言直接面向于矩阵，所以能对大量数据进行快速分析和处理，这一点在三维扫描测量领域是十分重要的。该软件系统主要包含以下几个模块：①激光点云处理；②地表；③绘制，包括等高线及地物；④制图输出。其中，模块①能对点云进行删除、合成、过滤及抽稀；模块②可生成与地表有关的DEM数据与等高线；模块③具备对等高线和所有地物进行快速测绘的重要功能；模块④则对每一种比例尺的地形图进行输出。除此之外，在复杂计算过程中，这一软件还能提供额外的计算模块，保证计算效率和准确性。

4 某矿山地形测量对三维激光扫描的实际应用

（1）野外资料获取。该矿山的总面积在8000m2左右，矿坑的总面积在6000m2左右，属人为采石场，具有面积较大、地形相对复杂和植被很少等特点。对此，经研究决定采用LMS-420I型三维激光扫描装置与GPS装置对矿山实施激光测量。为保证测量工作顺利完成，安排2人负责野外工作，工作持续2d，总扫描面积应与矿山总面积相同。在野外测量中，共扫描19个站，得出精度不低于±5cm的共30余万个坐标。单站测量过程中，设置五个观测反射片，同时利用GPS得到中心点对应的大地坐标。

（2）数据分析整理和地形图的测绘。向上述提到的LIDARVIEW中输入通过三维扫描得到的所有激光点云数据，然后利用这一软件先后进行坐标转换及多站拼接，对非地面点进行自动过滤后，得到相应的地表数据，生成矿山等高线图及DEM。在室内对数据进行处理时，需要消耗1h左右的时间。

5 结语

综上所述，提出一套借助激光扫描对矿山范围内复杂的地形条件进行测量的基本流程和方法，并提出非地面点的过滤技术、DEM数据拟合与等高线的拟合方法。针对数据分析处理这一重难点，设计出以激光扫描数据为基础的专门软件，即LIDARVIEW，同时充分利用这一软件结合所有激光点云数据绘制地形图等想要的成果。