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摘要 ：矿山开采测绘领域合理运用三维激光扫描技术 获取相关数据，可作为矿山生产的参考，从而提高矿山测 绘工作质量。本文全面介绍了该技术的优势、工作原理、 特点、基本应用流程，具体分析了在矿山测绘领域中关于 三维激光扫描技术的应用情况。主要涉及数字化治理采空 区、采集与处理数据、统计矿区开挖体积、计算Web 点云、 进行立体化建模等方面。
新时期，国内矿山行业如沐春风得到快速发展。在此 背景下，矿山测绘工作内容增多，趋于复杂化。事实上， 我国很早就有关于矿山测绘技术的应用，当前已经达到较 高的机械化水平。在矿山行业的实际工作中对测绘要求较 高，凸显传统测绘技术的不足，要求从业者创新矿山测绘 技术。三维激光扫描技术是一种信息分辨率非常高，便于 操作、精确度高的技术，可显著提高矿山测绘领域的工作 质量与效率，辅助矿山企业构建数字化矿山，实现安全、 高效开采。通过三维立体模型能够清晰、完整的呈现出矿 山地质地貌， 从技术上为矿山行业的持续发展保驾护航。
1 三维激光扫描技术
1.1 工作原理
本世纪以来，国内科学技术飞速发展，不断有新的科 学技术造福人类社会发展。这些技术的发展与应用也从各 个方面改变矿山测绘技术，当前矿山测绘工作趋于多样 化，其内容涉及面越来越广泛，现场测绘工作对技术的要 求较高，仅采用传统测绘技术无法充分满足需求。在此背 景下，三维激光扫描技术应运而生，该技术也称为“实景 复制技术”。通过三维激光扫描仪所采用的激光测量法无 需接触，可扫描各种被测物体，包括各种复杂的空间、现 场，并获取激光点触及的反射强度、天顶距、水平距等参 数。在此基础上，该技术还可实现智能存储、运算数据， 通过系统所获得的点云信息相对完整。点云数据经过计算 机处理后，可针对被测实物体快速重构三维模型及各种制 图，包括被测物体的空间、面、线、体等。从构成方面来看， 扫描仪由两部分构成。其中软件部分，主要为数据处理系 统 ;而硬件部分则主要包括三维激光扫描仪、支架、电源 等部分。形成矿山测绘技术方案后，只需要严格按要求设 定工作流程，对行业数据进行规范化处理，最终所形成的测绘工作能够达到理想的水平。实践中，关于点云数据的 存储通常采用内部模式进行存储，所以用户读取及处理信 息需要依赖厂家提供的软件。当前市面上有很多点云数据 处理软件，其中功能较为强大的有LFM 软件、ILRIS-3D 等。这些软件有编辑、拼接、合并点云数据进行三维空间 量测、建模、转换等功能。
1.2 优势和特点
1.2.1 精准采集目标数据的策略
在矿山测量中，采用三维激光扫描技术能有效减少误 差。虽说扫描仪往往与被测物体存在较大的地理距离，但 是其误差较小。比如通过远距离激光扫描仪可获得精度达 到mm级～ cm级的点云数据。实践中可结合对测量精度 的要求选择适宜的扫描装置。相较于全站仪，单点精度的 三维扫描技术较低，但是其模型化精度已经有很大提升。 工作人员使用三维扫描技术可高效、精准的获得测绘数 据，省去人工测量物质范围表面，反复多次检验测量信息 的操作。这些都有利于未来建立三维模型。
1.2.2 提升测绘工作效率
三维激光扫描技术的运用能够显著提高现代矿山测量 工作效率与测绘操作水平。通过该技术扫描所获得的被测 对象信息可达到毫米级，且效率非常高，能以最短的时间 获取测量目标范围内的大面积空间信息，且其扫描点采集 速率达到数千点 / 秒～数十万点 / 秒。三维激光扫描技术 适用于各种客观环境，使用者前期仅需要简单的做好准备 工作即可自动化测量、测绘，其完成工作任务的质量、效 率都十分高。
1.2.3 获取信息的效率高
事实上，现代测绘行业已经普遍应用各类三维激光扫 描设备产品了，这些设备都有自动传输数据的作用。工作 人员可利用设备完整、高效的向接收设备传输数据信息， 省去了传统人工操作、收集的步骤，同时通过相关技术所 获得被测物体信息更详细，整个获取效率高，有利于工作 者高质量的开展矿山测绘工作。
1.2.4 非接触性
该技术还具有无接触性的特点，即整个测量过程中无需 与被测目标接触，就能够以最短的时间，高效获取被测物体 的信息，且能保证信息的准确性。弥补了传统测量法需要接 触被测物体的瓶颈性问题， 也间接的解决了很多实质性问题。
1.2.5 高密度的数据采集
通过三维激光扫描仪可实现综合测量精度要求扫描目标 实物体，即作业人员可提前布置间隔采样点。整体上看，其物 体测量的完整性、精度都是传统单点测量法所无法媲美。
2 应用三维激光扫描技术的基本流程
整体上看，矿山测绘中可结合如下三个阶段运用三维 激光扫描技术。①首先借助三维激光扫描获取信息，比如 地质信息、测量面、矿山点位等。在这一操作要求工人先 粗略确定矿山的地质环境，可采用人工观察法、判断法进 行分析。在此基础上，对扫描设备进行相关设置，具体设 置现场实施范畴、采矿藏、探头数量等信息。精准的设置 能保证设备最终获取的矿山信息准确，操作时需要以设备 的技术规范为基准，以确保最终所获取的矿山待侧面三维 点位数据全面、精准。②创设三维立体模型。通过现场测 量获取与被测对象有关的相关信息，比如三维信息、点位 地质。借助 GPS 系统精准定位被测对象，形成立体图像表 征待测矿山的表面，在此基础上形成三维模型整体呈现矿 山。工作人员可结合立体图像与三维模型全面分析矿山地 质的范畴，了解整个生产环境特点。这些信息，可作为后 续编制开采矿山方案的依据，具体规划开采计划，这是矿 山安全生产，高效生产的重要保障。③在上述基础上，获 得三维立体模型，在此基础上，对矿山信息与数据系统进 行扩展处理，之后就可通过三维激光扫描技术建立动态监 测系统，对比分析实测数据与初始数据的差异性，这些数 据可作为监测开采作业、采空区、计算开采量的参考，以 期实现数字化综合管理矿山。
3 矿山测绘中关于三维激光扫描技术的应用
3.1 采集与处理数据
3.1.1 外业数据的采集
矿山测绘中所使用的测绘仪器，即选择最大扫描距离 可达到30m 的三维激光扫描仪为HDS ScanStation C10.实践 表明，现场扫描的距离越大，则越不利于保证仪器扫描精 度。操作时必须按照大比例尺的要求测绘矿山地形图， 同时 还要提升实际测绘效率。基于此， 在采集作业数据前需要委 派专人深入待测矿区勘察测绘该区域，科学设计确定适宜 放置标靶与扫描仪的位置。完成后， 还需要结合测绘区域面 积大小具体分块测绘区。严格按照操作规范进行操作， 更有 利于保证测绘结果精度。在具体确定标靶方位与扫描仪方 位时， 需要考虑扫描仪能整体覆盖整体区域， 在充分满足测 量要求的基础上， 测站越少越好。测站的数目越少越有利于 高效的采集作业数据。在各个测站完成扫描工作后， 应第一时间检查、复核扫描数据是否准确， 验证数据的质量及其是 否符合要求。如发现扫描数据与设计要求值， 即不符合比例 尺要求出入较大，应及时安排重测。因为此种情况下，扫描 数据的质量较差， 如未重测后续无法直接使用。
3.1.2 三维点云数据去噪
激光扫描仪的使用性能客观受各因素所影响，比如车 辆、人员、粉尘等外界因素及设备自身因素等。换言之， 在 采集数据的过程中由于存在上述因素影响，激光扫描仪最 终所采集的云数据可能存在较大噪音。噪音的存在不仅没 有实际意义，且会影响后期预处理数据的效果，干扰矿山 测绘工作。因此数据处理，应该将去噪作为工作重点。随 着发展，扫描设备的性能、功能越来越完善。其中很多扫 描仪本身自带软件，在读始原始数据时就已经剔除噪音 了。但是如有人或者车辆的运行而产生的噪音点，则需要 采用人工手动的方式进行去除。
3.1.3 拼接点云数据及坐标转换
大部分工作人员表示实际测绘中无法仅通过某个测站 点完全扫描构造复杂物体表面。比如扫描过程中易出现遮 挡的现象，表现为被测目标物体被其他物质，如植被、围 墙遮挡住等。如果开展扫描活动的区域地形复杂，扫描设 备极有可能因为垂直视场不足，而无法扫描出高处边坡构 造的现象。这就要求工作人员搭建多个站点。针对需要扫 描对象地形特殊的情况，则有必要安装地面扫描仪专用型 云台。通过扫描仪扫描各个站点，所有的点云数据所处的 坐标系的扫描仪都放置于零点位置，整体上看各个站点能 够相对独立化扫描数据。基于此，在多个站点扫描获得点 云数据后，应基于同一坐标系安置上述点云数据并针对目 标物体重构三维空间点云， 这就是拼接数据。
多个型号的扫描仪都设置了电子罗盘，GPS等。在具 体扫描物体的过程中，通过带有各种装置的扫描仪就能记 录扫描对象的大地坐标及其站点方位。但是这些坐标信息 的精度尚无法达到拼接要求。基于此，如果扫描过程中如 能扫描站点坐标，即运用通过RTK等工具进行控制即可 实现及时向专业处理软件传输控制点坐标信息，这样就能 直接拼接数据、转换坐标。但是实际测量工作需要涉及较 为复杂、繁琐的步骤。如果地质调查项目对时间要求较高， 则很难精准同步站点大地坐标信息，所以需要拼接处理点 云数据。应用最多的拼接方法有两种 ：一种是以物体几何 特征为基础 ;一种是以标靶点云拼接。实践中结合需要按 上述流程拼妆几何特征数据后，即可借助MSA 实现精拼 接。软件会先给出一个距离半径，并以该值为依据搜索实 现精拼接。搜索的半径渐进式减少，精平差结果则对应的 不断提高精度，实际误差越来越小，越来越接近允许参考值，收敛运算结果。正常情况下， 矿山地质调查中， 只要能 获得误差值在 1cm 的三维激光点云数据，则其精度就能达 到拼接要求。通过现场实测控制标靶坐标或者控制点坐标 的方法处理经坐标转换需求而形成的数据，之后用软件将 坐标转换为大地坐标。
3.1.4 提取信息及生成等高线
上文提到矿山测绘区中关于三维激光扫描仪的应用有 很多，通过设备可获得包含目标区域地表所有信息的点云 数据。具体包括矿山测绘区地形地质及周边房屋、植被、 树木等各种信息。当然除了这些信息外，其中还存在很多 噪声。所以需要过滤、剔除处理非地形信息。只有妥善处 理这些信息，才能提高区域地形测绘工作效率与质量。剔 除、过滤非地形、地物数据可采用 Cyclone软件。通过该软 件剔除上述信息后，可通过 CASS 专业软件针对被测对象 的实际情况通过等间距手动测绘高程点数据，进行点击操 作即可获得等高线。这些等高线图形是叠加生成的，重叠 于地物图， 如果等高线有局部粗糙、扭曲、缺损的情况， 则 可适时编辑加工。操作时需要对比人工手动整改扫描照片 的情况，最后按要求添转高程注记点，按标准要求制备图 框，整改修饰地形局部。
3.2 矿区三维立体化
3.2.1 矿区地表三维模型
通过三维激光扫描技术获得的数据对建设矿区地表三 维模型有较大的参考价值。在目标范围内扫描高精准的获 得与建筑设施有关的点云数据，在此其他上辅助构建三维 模型。这个过程可借助专业软件确定各类模型属性，这些 信息可作为矿山生产管理决策的依据，以期顺利推进相关 工作。同时在创建模型时应该充分运用索引目录，方便相 关人员查阅信息。操作时，人员只需要点击目录索引，就 能进入界面， 实现数字化矿山生产管理。
3.2.2 清晰展示矿区地下巷道
实践中，借助三维激光扫描技术获取采集矿区巷道内 各信息，精准扫描发现局部细微变化，具体获得点云数据。 三维模型的搭建有利于直观显示巷道的真实情况。实践中， 操作人员可通过激光扫描仪了解巷道的实际生产状态，整 个矿区地下巷道情境一览无余。事实上，该技术的应用，还 体现在能全面扫描整个巷道， 并配套的建立相关模型， 促进 工作人员了解相关设备当前的运转情况，如存在纰漏或者 不足也可及时改进。巷道模型的合理运用有利于立体化精 准定位人员位置， 了解其当前的状态， 通过模型确定监测设 备的装置， 如局部有异常情况或者故障情况， 则可第一时间 形成报警信号， 由此实现可视化、立体化的监测矿山生产情 况，实现精细化矿山管理。矿山企业还可借助这些新型模式组织人员开展培训活动，提高实践技能，丰富理论知识，形 成较好的培训效果， 促进人员提高安全意识。
3.3 矿区 Web点云的浏览与量算
通过三维激光扫描技术所获取的矿山点云信息不仅全 面且其获取信息的效率非常高。设备上配置照相设备能获 取矿山纹理信息。这些数据可由软件规范处理，形成Web 点云，这样整个矿山真实的情况就能整体呈现出来了。在 此基础上， 运用互联网技术直观、实时三维呈现矿山情况。 用户可通过web 点云展示矿山全貌，还可形成实景颜色。 此外，该技术的量算功能十分强大，运用所得结果、数据 适用性高， 可作为精细化管理矿山的依据。
3.4 矿区开挖体积的统计
综上所述，三维激光扫描技术这一技术具有精准性 高、快捷等特点， 能方便操作人员及时了解现场开挖情况， 操作时需要定时对目标区域进行扫描，模型可生成并直观 呈现各时期的数据信息。深入研究叠加数据，可具体探查 各时间段的基本情况，并以此为依据具体计算出开挖矿区 的体积。另外， 这些数据， 也可作为后期开采矿区的依据。
3.5 数字化治理采空区
近年来，我国各地矿山生产力提高，通过开采矿山能 够创造显著的经济效益。但是采空区的存在，也就意味着 矿山生产安全隐患多，稍有不慎就有可能威胁到生产作业 人员生命安全。借助三维激光扫描技术实现全面、精准、 实时了解采空区基本情况，并有针对性的制定解决方案， 制定预防采空区的方案。现场运用扫描设备可实现无接 触、高效率的扫描被测量物体，有效弥补常规测量法的不 足，充分保证测量工作安全性。此外，借助三维激光扫描 技术针对采空区建立模型，更有利于人员全面了解矿区的 状况， 并精准、客观分析其变化规律， 实现可视化监测， 落 实现代化、数字化矿山治理。
4 结语
当前各项科学技术飞速发展，这其中包括矿山测绘技 术。近年来， 我国矿业、矿山测绘技术得到较好的发展。相 较于传统测绘手段，三维激光扫描技术具备诸多优点，比 如其测量精准度高、更高效、更便捷等。实践表明三维激 光扫描技术适用范围广泛、优点多，特别是高危地区测绘 工作中表现卓越， 其性能优越， 充分满足测绘工作可靠性、 安全性及连续性的要求。未来应该进一步研究应用三维激 光扫描技术，特别是要完善点云数据处理法，在兼顾质量 与效率的基础上，有序开展激光扫描工作，为矿山测绘领 域创造更大的价值。
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