基于三维激光扫描技术的塌陷土地复垦规划研究

丁圳祥 狄帝 马晓君等

摘要通过对三维激光扫描获得的海量点云数据进行处理和分析，直观、真实地显示出塌陷区内和周边地形，得到精密地形图；根据因地制宜、可持续性、综合效益和统一性的土地复垦原则，设计出针对塌陷区的两种土地复垦方案，并择优选用。三维激光扫描技术用于土地复垦实现了高效率、高精度和低成本的目标。

关键词三维激光扫描；土地复垦；三维地形；塌陷地

中图分类号S28文献标识码A文章编号0517-6611（2014）23-08014-03

基金项目江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（CXLX13_977）；国家级大学生创新创业训练计划重点项目（12ssjcxzd10）。

作者简介丁圳祥（1988-），男，江苏泰兴人，硕士研究生，研究方向：现代大地测量数据处理。*通讯作者，教授，博士，从事大地测量与测量数据处理研究。

收稿日期20140710矿区复垦地的开发利用直接关系到矿区资源枯竭后的发展，需要确保矿区生产阶段的经济效益与土地开发利用效益、生态环境效益的协调，为资源枯竭后矿区的自然、经济、社会发展提供良好的自然生态环境基础，增强其可持续发展的能力[1]。三维激光扫描技术作为一个新兴技术，能够快速获得高精度海量点云数据，能够在安全地区对矸石堆、边坡、塌陷形成的洼地等危险地区进行三维扫描，以获得全面详尽的点云数据，精细的研究塌陷地土地复垦的规划。

1试验方案制定与数据采集

1.1制定扫描方案对沉陷区及其边界范围和环境进行实地的踏勘调查，了解沉陷区内的地形状况及周围的地物分布情况，根据地形状况及地物的遮挡情况设置扫描站点的位置，最大限度地以最少的测站数测得最全面的地形信息，减少点云的数据量。为了将点云数据统一到同一大地坐标系下，需要在扫描区域内设置至少3个控制点，以便坐标配准。

试验区面积约为40 hm2的矩形区域，中心区域严重积水，一条公路和两侧深沟将整个塌陷区分隔为2个地块。为了便于将两侧的扫描数据连接起来，布设了13个GPS控制点。

1.2数据采集使用Leica C10三维激光扫描仪进行数据采集。4个标靶的分布应以能获得较好的测站整体坐标配准精度为标准，标靶布置以正方形为好，距离适中。当标靶需要架设在控制点上时，必须精确对中和整平，并用扫描仪配备的精密钢尺量测出标靶中心到控制点中心的距离。

2点云数据处理

2.1点云数据配准由于在扫描之前在测区内事先布设了13个GPS控制点，内业数据处理时利用绝对方式将配准好的整个沉陷区的点云数据与GPS控制点进行配准，将相对坐标转化到大地坐标系下，得到配准后的点云整体效果。

2.2 噪点去除与地物提取扫描过程中树木，植被及地物都会影响地表面的生成和等高线的生成。需要对这些影响数据精度的树木，植被及地物进行去噪处理。利用Cyclone软件将去噪后的点云导出，在CASS中绘制地形轮廓，道路及沉陷区形成的汇水区域边界。区域内电线杆、坟、房屋等独立地物，利用Cyclone软件分别对其提取三维坐标信息，对生成的地形图进行叠加、完善。

2.3 生成等高线由于扫描仪获得的点云数据密度较大，因此需要对点云进行抽稀处理，导入到测图软件CASS中，自动生成等高线。同时，由于点云数据包含了详细的地表信息，对于不同的沉陷区精细地形图需求，可以有选择性的进行等高线生成，可以对沉陷区以每10 cm生成等高线来详细表示该处的地表信息，其他地方可以以每1 m生成等高线来表示地形起伏。

2.4地形图绘制按照以上步骤，将得到的初步地形图、地物图及等高线图进行叠加和编辑，最后加上高程注记，符号注记及文字注记，生成图廓和局部修饰，生成1∶500完整的地形图。

3塌陷区土地复垦治理方案

矿区土地的复垦是恢复或弥补这些影响的一种重要措施。遵循因地制宜、可持续性、综合效益和统一性的原则[1]，根据土地适宜性评价的结果，合理安排各类用地，使遭破坏的土地发挥最大效益，将有潜在的生产力变为现实。如将深

方案一规划成果示意积水区改造成鱼塘，将无积水区改造成耕地、林地或园地。使土地复垦寓于社会经济发展和维持生态系统平衡之中，谋求社会、经济、生态三大效益的统一。

通过对塌陷地资料的收集和土地评价，设计2套复垦方案，规划成果如、所示。将较大的积水区进行挖深，这里设计的池塘挖深的平均标高为27 m，形成池塘，可以用于水产养殖，然后将挖深出来的泥土堆填到周边旱地，将旱地进行加高整平，这里设计的旱地整平后的有30.0和30.5 m2种平均标高，利用CASS软件中工程量计算的功能，计算得到每一部分的填挖方量，结果见～2。

方案二规划成果示意

方案一中各块区域的计算结果

方案1平场面积∥m2最小高程∥m最大高程∥m平场设计标高∥m挖方量∥m3填方量∥m3挖填总和∥m3旱地d153 501.927.50031.27230.56 086.3-30 964.4-24 878.1旱地d256 742.928.00031.65230.06 980.5-31 028.0-24 047.5池塘c135 947.727.00029.13527.029 681.4029 681.4旱地d360 103.228.35533.22730.510 850.7-20 396.3-9 545.6旱地d462 893.428.62430.77230.07 884.7-23 450.0-15 565.3池塘c257 049.727.00029.71627.055 515.4055 515.4合計----116 999.0-105 838.711 160.3

方案二中各块区域的计算结果

方案2平场面积∥m2最小高程∥m最大高程∥m平场设计标高∥m挖方量∥m3填方量∥m3挖填总和∥m3旱地d153 501.927.531.27230.56 086.3-30 964.4-24 878.1旱地d256 742.928.031.65230.06 980.5-31 028.0-24 047.5池塘c135 947.727.029.13527.02 9681.4029 681.4旱地d350 070.528.64933.22730.510 652.1-13 741.1-3 089.0旱地d472 450.928.030.77230.08 594.6-33 096.1-24 501.5池塘c258 693.427.030.39027.059 813.3059 813.3合计----121 808.2-108 829.612 978.6

由、2可知，方案一总挖方量为116 999.0 m3，总填方量为105 838.7 m3，复垦获得土地23.56 hm2，鱼塘9.56 hm2。方案二总挖方量为121 808.2 m3，总填方量为108 829.6 m3，复垦获得土地23.51 hm2，鱼塘9.56 hm2。2个方案接近，但方案二地块更规则，更容易耕种，因此建议采用第二方案。

4结论

三维激光扫描获得的数据以点云的形式来表现实体的三维信息，能够更加直观、真实地显示出地形，同时海量点云数据可以方便用户统计地物信息以及详细了解周围的环境状况。利用点云数据进行地形的三维建模处理，能很好地通过可视化的方式直观地展示出地形沉陷变形情况，也能利用点云数据绘制不同比例的精细地形图，满足用户多种要求。

参考文献

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安徽农业科学2014年