基于3D激光扫描的矿山地形测量技术应用

张亮

摘 要：基于GPS及测距技术，计算机可以将测绘收集到的点位信息自动整合为3D图像进行输出，提高了测绘的准确性与工作效率，受到广泛的关注。文章重点梳理其技术原理，并对具体的应用模式进行分析，希望通过文章的研究能够为后续的相关工作开展提供必要基础保障。

关键词：3D；激光扫描；矿山；地形测量

中图分类号：TN249 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0171-03

Abstract： Based on GPS and ranging technology， the computer can automatically integrate the point information collected by surveying and mapping into 3D images for output， which improves the accuracy and efficiency of surveying and mapping， and has been widely concerned. The paper focuses on combing its technical principles， and analysis of the specific application mode， in the hope that the study of this paper can provide the necessary foundation for the follow-up work.

Keywords： 3D； laser scanning； mine； topographic survey

与传统的测量技术相比，应用3D激光扫描能够更为快速、更为准确的提供地形的精准信息，尤其是基于测量与绘图的一体化建设更是使得其在测量过程中具有“所见即所得”的良好人机互动体验，进而受到了社会各界的广泛关注与认可。本文以其作为研究对象，在系统分析去作用原理的基础上，对在矿山测量中的具体应用进行分析，希望通过本文研究能够为后续的相关工作开展提供必要依据。

1 3D激光扫描测量技术原理及其种类

3D激光扫描技术的主要组成有GPS差分定位系统（DGPS）、高精度动态载体姿态测量系统（INS）以及激光测距系统。在利用光源的基础上对测量对象进行探测获取目标的三维坐标、地表信息并且构建三维场景。较为代表的激光测距传感器的组成主要有测距单元、控制和处理单元以及光学机械扫描装置。比较常用的激光测距方式有两种，即脉冲式和相位式。脉冲式激光测距是根据激光发射装置生成激光并将其发射至即光脉冲接触实物，产生反射再被激光接收机接收。以此测得地表和激光发射器之间的距离，利用公式R=1/2Ct作为其主要的测量核心原理。相位式测距则是利用传感器发射以及接收波之间的相位差来计算得出传感器与目标之间的距离。这一过程依赖于LiDAR系统的强大数据分析体系，高效的整合搜集到的INS数据，GPS数据，点云数据等，从而完成相应的绘图工作。

从现阶段的应用实践来看，3D激光扫描设备按照不同的数据获得方式可以按照如下两种模式来进行分类。一种是基于平台的不同而进行分类，如固定式激光测量技术；无人机激光测量技术等。前者具有更高的准确性，后者由于平台的移动对于地形限制相对较低，具有更大的灵活性。另一种则是按照具体数据采集的光学原理差异而进行分类：如雷达测量技术、红外线测量技术以及本文所研究探讨的激光测绘技术等。其中雷达测绘可以对地下一定层深的地质结构进行测量，红外线测量则可以有效区分地表建筑、植被等附作物，激光测量则在准确等方面具有更好的表现。

2 矿山地形测量需求与作用

从上述的作用来看，矿山地形测量需要满足如下几方面的基本要求：

第一，高效性：与地质勘探所不同，地形测量是一个长期的动态过程，在矿山的开采周期中要不断的对测量信息进行更新，从而形成数据的动态表现。这就要求地形测量具有更高的时效性，测量技术的应用效率也是評价这一指标的因素之一。

第二，准确性：测量的准确性是后续应用合规的有效保障，是形成实际工程贡献的必要基础。

第三，精确性：与准确性相对精确性主要是指测量信息的高密度与高分辨率表达。在传统的人工测量中更多的数据模式为采集点间的平滑过渡，缺乏单点的精确性。

第四，可视性：通过计算机的强大计算功能，将测量到的数据整合成为3D图像，为后续的实际应用带来极大的便捷。

3 3D矿山地形测量技术的现场应用

现阶段的矿山地形测量多采用固定平台来进行。从实践环节来看，大致可以分为现场测量以及后台数据处理等两个部分，其具体现场应用如下：

3.1 现场测量的总体流程

从实际的测量工作来看，其现场数据收集大概分为如下四个环节：首先，对标靶进行设定，以此来提高实际测量的准确性；其次，对测站进行设定，保障全部的测绘过程测站的稳定无偏移；再次，对仪器参数进行设定，确保获得数据具有较高的区别度，便于后续数据分析工作的开展；最后，开展实际的扫描。事实上前三个环节均是对相关设备的调试环节，确保实际自动化扫描过程的准确与稳定。

3.2 现场测量的各环节应用

按照不同的环节，其具体应用模式如下：

第一，在标靶设定阶段的应用。标靶的主要功能是确定不同测量操作间相对为之的固定，以满足单设备多角度的测量需求。在实际的设置过程中要根据不同标靶的类型（球形及平面型）来进行具体的区分。其中平面型标靶要保障识别面对测量点位的面相关系，球形标靶则需要保障其反光面的清洁。另一方面，标靶之间要完成统一设置，并形成距离差、高程差等相关要求，同时考量标靶位置对于后续扫描的贡献率。

第二，在测站设定阶段的应用。基站的设定是保障多角度测绘的基础，在实际的测量过程中首个测站应该以设备为基准，确定位置点位后保障其对于其他标靶清晰可见，同时保障其对于矿区的可见覆盖面积达到最大。

第三，在参数设定阶段的应用。参数的设定要保障后续数据的可识别性，具体要包括工程名、存储位置等基础信息，同时也要包括了扫描范围、分辨率等技术参数。另外值得注意的是要对不同的靶位进行区别标号，以便后续的相关分析开展。

第四，在实际测量阶段的应用。在实际的测量过程中一是要保障不同标靶位置的顺序进行；二是按照整平扫描（扫描密度25mm-30m）、扩展扫描（75mm-300m）的基本顺序按序进行。不同阶段的具体扫描时间与具体的设备类型与属性相关，一般情况下以设备的提示音为准。在经过上述两次扫描后，该点位的扫描工作已经完成，将扫描设备移到下一个表达点位，并设置该扫描点的标靶。重复上述过程，直至全部扫描均已完成。

4 3D矿山地形测量技术的后台应用

3D激光测量技术按照应用的不同阶段大致可以分为现场测量环节与后台数据处理环节，现场采集到的数据仅为单点的海量数据，如果要形成有效的后续应用，需要将其整合为统一的3D图像与信息包，在具体的后台应用层面大致分为如下几个方面：

4.1 数据配准

扫描所活动的数据仅为平面数据，且由于平面遮挡等原理无法通过单次测量活动全部的立体数据。这也是上文现场测量中需要设立标靶，并逐次测量的根本原因。而多次活动的不同数据在后续的应用中需要进行配准，才能够形成有效的3D区域图像。在具体的配准过程中，在Realwords软件中标记标靶的测量数据进行对应后，后续的数据配准则由系统自动完成拼接。在该系统下拼接的进准度一般可以控制在1cm以内，且拼接的自动计算多有计算机完成，客观上降低了相关工作人员的工作量。

4.2 点云去噪

在数据配准过程后系统已经获得了完整的矿区3D图像，而下一步则需要对图像中存在的“噪点”进行修正去去除。在实际的操作过程中按照噪点的不同形成原因予以不同的处置方案，具体分为如下两种：一是由于外部环境的扰动而产生的噪点，如测量区域内的灰尘，矿区内车辆、设备以及人员的走动等对测量结果产生了一定的遮挡。此种原因下所产生的噪点可以在计算机上人为识别，故而直接删除相关的点位数据便可以达到去噪的目的；二是由于设备自身所产生的噪点，信息在传输、激光设备在获取图像的过程中必不可少的会存在一定的偏移，如信息电路噪声，激光滤镜噪声等。针对此类原因所产生的造成噪声则需要采用滤波的方式分析噪声的具体波形来予以科学区分，具体而言大致分为中值滤波、高斯滤波以及均值等三种模式，不同模式所形成效果以及针对的噪声种类的准确性存在一定的差异，这就需要实际的测量人员在软件操作过程中来不断的进行操作与修订，从而找到最佳的去噪方案。

4.3 空洞修补

在实际的测量数据处理过程中会存在一定的“黑洞”，即数据信息没有有效采集的位点。针对此种问题可以采取实地测量、点云插入等方式来进行修補。所谓的实地测量主要是指针对空洞数据所产生的位点，利用传统的扫描设备对其位点信息进行测量，后经过坐标的转换将这一数据整合到3D测量系统体系中去。而点云插入则是采用一种“平滑过渡”的方式采用周边区域系统均值对对改位点的空白数据进行补充，过程相对简单但是准确性不高。常常适用于面积极小，重要性不高的位点补充操作。完成以上操作后，建立相应的数字高程模型，见图2。

5 结束语

3D激光扫描的矿山地形测量在一定程度上得到了应用，但是针对其原理，应用细节以及注意事项等方面的研究相对薄弱。本文基于此在系统分析3D激光扫描的原理基础上，按照现场测量与后台数据处理的两个基本模式探究具体的应用细节，希望通过本文的研究能够为后续的相关工作提供必要基础。

参考文献：

[1]李海港，刘经德，万串串.三维数字精细建模技术在漂塘钨矿工程可视化中的应用[J].有色金属（矿山部分），2018，70（01）：1-5.

[2]吴国地，刘冬生.关于矿山测量工作中常见问题及处理对策的研究[J].江西建材，2016（18）：231-232.

[3]刘云生.测绘新技术在露天开采金属矿山测量中的应用与分析[J].世界有色金属，2016（10）：131-133.