矿山测绘中三维激光扫描技术的应用探讨论文

 

SCI论文（www.lunwensci.com）：

　　摘要：为了提升矿山测绘工作质量，做出合理应用三维激光扫描技术的提议，进而为矿山生产提供可靠的数据支持。阐述三维激光扫描技术的工作原理、优势与特点，介绍该项技术的基本应用流程，较为详细的探究该项技术在矿山测绘领域中的应用情况，包括数据采集和处理、三维立体化建模、浏览和计算矿区Web点云、统计矿区开挖体积以及采空区的数字化治理等。希望能和同行分享经验，使更多的人了解三维激光扫描技术，促进技术的普及应用。

　　关键词：矿山测绘；三维激光扫描；技术原理；优势和特点；三维立体化

　　新时期下，矿山行业快速发展，使矿山测绘工作也越来越复杂化，需要进行测绘的内容不断增加，我国矿山测绘技术有着悠久的发展历史，近些年已经达到一定机械化水平。传统的测绘技术已经不能满足当前矿山测绘工作的现实需求，应积极创新矿山测绘技术方法。三维激光扫描技术有精准度高、操作便捷、信息分辨率高等诸多优点，用在矿山测绘领域能显著提升工作效率与质量，辅助构建数字化矿山，协助矿山企业实现安全、高效开采；建立完整且清晰的三维立体模型，真实的呈现出矿山地质地貌，为矿山行业健康、长久发展提供可靠的技术支撑。

　　1　三维激光扫描技术的概述

　　1.1　工作原理

　　进入新世纪以来，我国科学技术的发展可谓是日异月新，对矿山测绘技术产生很多的影响，矿山测绘工作内容日益丰富、多样化，并且现场实际测绘工作在测绘技术应用方面提出了更多、更高的要求，传统测绘技术很难满足，三维激光扫描技术就是在这样的背景下发展及应用的。三维激光扫描技术又被叫做“实景复制技术”，三维激光扫描仪运用非接触式高速激光测量方法，能够快速扫描复杂现场和空间内的被测物体，直接捕获激光点触及到的物体表面的水平方向、天顶距、斜距以及反射强度等指标，智能存储及运算数据，获得相对较完整的点云信息，计算机处理点云数据信息以后，能够在较短时间内重构出被测实物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图。扫描仪主要由软件和硬件构成，其中软件以数据处理系统为主，硬件当前主要有三维激光扫描仪、电源与支架等之分。实际中编制好矿山测绘技术方案后，严格执行设计好的工作流程，规范处理行业数据，便能输出理想的测绘工作成果。通常需要基于某种内部格式存储点云数据，故而用户需要求厂家提供专门的软件去读取及处理信息，ILRIS-3D、Cyclone、3D-RiSCAN、LFM软件等均是功能强大的点云数据处理软件，其均具备点云数据编辑、拼接与合并、三维空间量测、建模、转换等诸多功能。

　　1.2　优势和特点

　　1.2.1提升目标数据采集过程的精准度

　　将三维激光扫描技术用在矿山测量工作中，尽管扫描仪和被测物体相距较远，但在很大程度上能减少误差量。目前中远距离激光扫描仪获取点云数据时，单点精度通常能够达到mm级~cm级，实践中依照测量目的差异可以选用精度不同的扫描装置，虽然在单点精度上三维扫描技术当前还不能和全站仪相比，但是和单点精度相比较其模型化精度已经有很大提升。三维扫描技术使用过程中，工作人员无需像过去一样处理测量物质所处范围的表面，测量后也无需屡次检测检验测量信息，使测绘数据的质量与精确度均得到较大的保障，为后期建立三维模型创造了很多便利条件。

　　1.2.2提升测绘工作效率

　　现代矿山测量实践中合理运用三维激光扫描技术，能使测绘操作水平及工作效率均有很大提升。三维激光扫描技术能在短短的几毫米时间内获得被测对象的信息，激光扫描能迅速获取到目标范围内的大面积空间信息，能较好的满足大面积细节测量工作的需求。当前扫描点采集速率能够达到数千点/秒~数十万点/秒。并且该项测绘技术应用时没有对客观环境提出严格要求，测绘工作前期的准备工作相对较简单，现场测绘时实现了自动化测量，故而能更高效率、高质量的完成测量工作任务。

　　1.2.3更加便捷的获得相关信息

　　现阶段，越来越多的三维激光扫描设备产品被用在现代测绘行业内，很多设备具备自动化数据传输的功能，能够帮助工作人员基于网络把数据信息完整、安全的传输到接收设备内，明显降低了传统人工操作与收集过程的作业量，能更加快速、便利的获取到被测物体的相关信息，辅助提升矿山测绘工作质效。1.2.4非接触性三维激光扫描过程中无需和被测目标直接接触便能快速、精准的获得相关三维信息，进而处理了传统难以接触和工作人员无法触及目标测量等现实问题，这一技术优势是传统测量方法不能毗邻的。

　　1.2.5数据采集密度偏高

　　三维激光扫描仪采集数据过程中能依照用户布置好的采样点间隔，利用不同精度级别对目标实物体进行扫描，和传统单点测量方法相比能显著提升物体测量的精准度、完整性。
 

　　1.2.6亮度较高

　　当前，激光被公认为是亮度最高的光源类型，仅有氢弹爆炸刹那间强烈的闪光才可以和其相比拟。单台大功率激光器的输出光亮度和太阳光相比较大概要高出7个~14个数量级。因为具备以上的优势特点，使激光的总能量在不是很大的工况下，因为自身能量高度集中，所以易于某个微小点位置生成高压与几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术均是应用以上这一特性。

　　1.2.7全数字化、可视化

　　运用三维激光扫描仪获得的“点云”图囊括了采集点的三维坐标以及RGB等诸多信息，并且可以较为顺利的将其转变成CAD或者基于其他软件平台的数据格式。针对获得的目标物体点云数据还能够从不同维度观察其三维模型。

　　2　三维激光扫描技术的应用流程

　　矿山测绘实践中三维激光扫描技术的应用大体上可以分成如下三个过程：

　　①运用三维激光扫描设备快速获取矿山的点位、测量面及地质信息等。具体实践中，先要通过人工观察的传统方式确定矿山的大致地质环境，合理设置好扫描设备的测绘参数，例如探头、待采矿藏与现场实施范畴等，保证能运用测绘信息清晰的呈现出矿山位置等指标。严格按照相关技术规范执行激光扫描过程，精准、全面的获得矿山待测面的三维点位数据。②构建三维立体模型。基于现场测量工作获得大量点位地质以及三维信息，在GPS系统的协助下实现精准定位，构建矿山待测表面相对应的立体图像，以此为据呈现出整体化的矿山三维模型，协助相关人员更加全面的了解矿山地质范畴及生产环境特点等，为编制矿山开采生产方案提供可靠依据规划和设计，进而使矿山生产效率及过程安全性得到更大保障。③把获得的三维立体模型作为依据，有针对性的拓展扩建矿山信息与数据系统，充分利用三维激光扫描技术的实时优势，进而快速建立起动态监测系统。比较矿山初始数据与实测数据，将其用在采空区监控、开采作业监测及开采量运算等工作中，进而实现对矿山的综合数字化管理。

　　3　三维激光扫描技术在矿山测绘中的具体应用

　　3.1　采集与处理数据

　　3.1.1外业数据的采集

　　矿山测绘工作中选择HDSScanStationC10三维激光扫描仪为测绘仪器，已知本仪器的最大扫描距离是300m，伴随现场扫描距离的增加仪器扫描精度呈现出逐渐降低的趋势。鉴于以上实际状况，为了使矿山地形图测绘精准度符合大比例尺的基本要求并提升实际测绘工作效率。采集外业数据之前要指派专人勘察测绘区域，科学设计扫描仪和标靶的具体位置，并且依照测绘区域面积对测绘区进行分块，以上均是提升测绘结果精度的可行方法。设定扫描仪与标靶各自的方位时，不仅要确保扫描仪能实现对测绘区域的整体覆盖，最大效度的减少或规避，也要尽量选用数目较少的测站，借此方式提升外业数据采集过程的效率。各个测站完成扫描任务以后要快速检查核对扫描数据的质量，测评其是否符合基本要求，如果发现其和设计要求之间存在较大出入时，要尽早进行重测，一定要确保最后所得的扫描数据质量都符合相关比例尺的要求。

　　3.1.2三维点云数据去噪

　　运用激光扫描仪采集数据过程中，在设备本体及其他外界客观因素等作用影响下，比如空气内的粉尘，移动的人员和车辆等，均可能导致云数据内存在着显著的噪音点，这些噪音点没有实际意义，影响后期数据处理进度预效果，并且会对矿山测绘工作推进过程中形成干扰，故而应将去噪作为数据处理工作的首个步骤。现阶段扫描设备性能越来越先进，很多扫描仪在读取原始数据环节就能运用自带软件智能剔除空气内存留的噪音点，但需要运用人工手动的方式清理掉人与车辆的噪点。

　　3.1.3点云数据的拼接与坐标转换

　　在实际测绘工作中，工作人员很难基于单个测站点实现对构造复杂物体表面的完全扫描，遮挡是扫描过程中的一种常见现象：围墙、植被等均可能会遮挡被测目标物体。在地形复杂的区域开展扫描活动时，容易发生扫描设备垂直视场不足而造成不能正常扫描高处边坡等构造的情况。为了规避以上状况，工作人员应搭建不同的站点开展扫描工作，或运用地面扫描仪专用型云台去执行特殊地形的扫描任务。扫描仪在各个站点进行扫描时，点云数据均处于以扫描仪位置为零点的坐标系内，各个站点的扫描数据相对独立化。故而，应把多站点扫描所得的点云数据安置在同个坐标系中内取重构目标物体的三维空间点云，以上便是数据的拼接过程。

　　当前，很多型号的扫描仪内设了GPS和电子罗盘，在扫描物体过程中其会精准的记录扫描站点方位和大地坐标，但通过以上形式获得坐标信息无法满足拼接的精度要求。若在扫描中运用RTK等工具控制测量扫描站点的坐标，可以相应控制点坐标信息输进专业处理软件内，随后可以直接完成数据拼接及坐标转换过程。而实际中控制测量的步骤繁琐复杂，在时间较紧急的地质调查中，很难同步获取到扫描站点的精准大地坐标，故而还需对点云数据进行拼接处理。当前可供选择数据拼接方式主要有两种，分别是基于物体几何特征及标靶的点云拼接。实际工作中准备好拼接所需的几何特征数据以后，运用MSA(多站点平差)功能执行精拼接过程。先给出一个距离半径，软件会依照这一半径值进行搜索并完成精平差。渐进式的减少这个搜索半径，精平差结果的精准度将会不断提高，实际误差会越来越接近允许参考范围，运算结果将会收敛。通常而言，用在矿山地质调查的三维激光点云数据，如果能将其误差值控制在1㎝范畴就能较好的满足拼接的精度要求。
 

　　针对那些由坐标转换需求的数据，运用现场实测的控制点坐标或标靶的坐标，通常就能在后处理软件内顺利完成相对坐标到大地坐标之间的转换。

　　3.1.4提取信息及生成等高线

　　三维激光扫描仪扫描获取矿山测绘区的点云数据时囊括了目标区域地表的全部信息，这就意味着点云数据不仅有矿山测绘区的地形地质信息，还存在着树木、植被、房屋等信息，且其内含有大量噪声。故而，要对非地形信息进行过滤、剔除等处理，这是提升区域地形测绘工作质量和效率的可行方法之一。具体实践中可以尝试运用Cyclone软件执行非地形、地物数据的过滤及剔除工作任务。在剔除非地形、地物信息以后，于CASS专业软件内依照设定的等高间距手动测绘区中的高程点数据，点击以后能自动生成等高线。叠加生成的等高线图形和地物图相叠加，并进行编辑加工，主要是处置等高线局部缺损、扭曲、粗糙等问题，要参照扫描照片比较分析人工手动整改情况，最后添置高程注记点，制作出符合相关标准要求的图框，完善地形图的局部整改修饰。

　　3.2　矿区三维立体化

　　3.2.1搭建矿区地表三维模型

　　合理运用三维激光扫描技术能为矿区地表三维模型建设提供更多的可靠数据，通过扫描目标范围内的有关建筑设施获得高精准度的点云数据，辅助三维模型的构建过程。在专业软件的协助下合理确定不同模型的属性，为矿山生产管理决策提供有效信息，确保相关工作能顺利、有效推进。也要积极把索引目录用到创建的模型内，为相关人员查阅信息提供便利条件，点击目录索引便能快捷的进入到有关界面中，借此方式明显提升了矿山生产管理的数字化水平。

　　3.2.2直观呈现矿区地下巷道情况

　　三维激光扫描技术能全面采集矿区巷道相关信息，针对局部细微改变也能实现精准化扫描，这样便能获得具体的点云数据，通过搭建三维模型以更加全面的呈现出巷道的实际状况。激光扫描仪也能动态化掌握巷道中的真实生产状况，清晰直观的呈现出矿区地下巷道情境。并且在该项技术的协助下，能精准扫描出矿区地下巷道有关设备及设施，建立相配套的模型，全面了解其实际运转情况，及时发现并处理相关问题。合理运用巷道模型，能够实现在立体化层面上对人员位置的精准定位，明确其当前状态。也可以在该模型内确定相关的监测设备装置，如果局部发生故障异常时，则能快速的传达出有关报警信号，达到对矿山生产情况监测管理的立体化与可视化，全面提升矿山管理的精细化水平。运用以上这种新型模式组织相关工作人员参与理论知识、实践技能的培训活动，帮助他们掌握更全面的安全生产知识，取得良好的培训效果。

　　3.3　浏览和量算矿区Web点云

　　运用三维激光扫描技术能快速、全面的获得矿山点云信息，激光扫描仪上配置的照相设备能有效采集矿山的纹理信息，并在专门的软件的协助下规范处理这些数据，生成Web点云，利更加真切、整体化的呈现出矿山的现实生产状况，并以互联网技术作为基础运用三维立体化形式直观、清晰的显现出矿山当前的真实状况。Web点云不仅有展现矿山状况的功能，还有具体化的实景颜色。三维激光扫描技术自身还具备强大的量算功能，运算所得结果的适用性很高，这为矿山精细化管理提供更加全面、可靠的数据支持。

　　3.4　准确精确统计矿区开挖体积

　　合理应用三维激光扫描技术能较快捷、精准的掌握露天矿的现场开挖状况，具体操作中要定时扫描目标区域，在模型上直观的呈现出不同作业时期生成的数据信息。叠加数据进行深入研究分析，能较快速的探查到某个时间段内的改变情况，准确运算出矿区的开挖体积，为后期矿区开采作业提供数据参考。

　　3.5　采空区的数字化治理

　　近些年中，为更好的满足社会经济发展需求，我国各地矿山生产力度呈现出不断加大的趋势，矿山开采活动创造良好经济效益的同时，也造成了很多采空区，以致给矿山生产埋下了较多的隐患因素，对生产作业人员生命安全构成一定威胁。运用三维激光扫描技术能较精准、全面的掌握采空区的实际状况，为相关治疗方案及措施编制提供参考。现场采用该项技术扫描时，扫描设备无需直接接触被测量目标物体就能高效率的进行测量查找，规避常规测量方法下接触式测量暴露的各种不足，使测量工作安全性得到更大的保障。并且还可以运用该项技术建立采空区的模型，这样相关人员能更全面的了解其真实状况，更加客观的分析其变化规律，实现真正意义上的可视化监测，显著提升了矿山治理的数字化、现代化水平。

　　4　结语

　　在科学技术日异月新的背景下，矿山测绘技术在发展中也取得了很大进步，三维激光扫描技术有效弥补了传统测绘手段的不足，有便捷、高效及高精准度等诸多优势，在高危地区测绘工作中表现出良好的效能，不仅确保测绘过程的安全性、可靠性，还实现了连续化作业。后续工作中，应加强三维激光扫描技术应用中点云数据处理等方法的完善，以进一步提升激光扫描工作质量和效率，进而在矿山测绘领域内创造出更大的效益。