三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中的应用

张灯军

摘要：三维激光扫描技术作为一种新技术，它被称之为由“单点测量”到“面测量”进化的革命性技术突破。本文中，笔者归纳了“三维激光扫描技术”的工作流程，基于此，探讨了“三维激光扫描技术”获取DEM模型的方法，着重讨论了外业数据采集和数据处理过程中的关键技术，如点云数据匹配、数据绝对定位及拼接等。试验结果初步说明了，该技术较为适合大变形边坡监测，能够为边坡灾害提供真实、客观、有效的预警信息。

关键词：三维激光扫描技术;工作流程;DEM模型

三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，而相比较而言，传统的“地表建模工具”的作业效率低下，且已经有了逐步被三维激光扫描技术替代的趋势。新时期，三维激光扫描技术是一项已经逐渐成熟的新技术，它应用于矿山边坡变形监测中，既能够实现矿山边坡坡体的快速数字化，还能够获取矿山边坡坡体表面的三维影像，从而切实实现“见=测”[1]。下文中，笔者归纳了“三维激光扫描技术”的工作流程，并探讨了“三维激光扫描技术”获取DEM模型的方法，着重讨论了外业数据采集和数据处理过程中的关键技术，如点云数据匹配、数据绝对定位及拼接等，具体如下：

1.三维激光扫描的工作流程

目前，三维激光扫描技术已经引起了研究领域的关注，而三维激光扫描仪的工作原理就是激光测距，通过记录被测物体表面“点”的三维坐标、反射率以及纹理等信息，进而快速生成被测物体的三维模型及点、线、面等各种图间数据。这里需要注意的就是，该技术测量的“点”呈现大量、密集的特征。运用三维激光扫描技术监测矿山边坡的变形，能够获取大量的点云数据，并且每个点的位置信息都可以通过极坐标（α，ξ，d）清晰地展现于扫描坐标中。扫描前，要结合矿山边坡坡体的具体情况，设置恰当的“扫描控制点”，并通过GPS（ Global Positioning System）获取每一个“扫描控制点”的大地坐标，为将“点云坐标”转化为“大地坐标”奠定基础，同时也能够为分析矿山边坡变形提供一份客观、标准的数据。结合三维激光扫描技术获取的数据，提取矿山边坡坡体的特征，进而生成精确度较高的DEM模型。

2.三维激光扫描技术在矿山边坡变形监测中应用的方法与流程

2.1外业数据采集

结合矿山边坡具体的地理位置，利用CYRA2500三维扫描仪对监测体进行大面积的扫描，而CYRA2500三维扫描仪工作时，要按部就班地逐站进行数据扫描，并且在此次三维激光扫描数据获取的过程中，采用“分站一分景”的扫描过程，即分别在矿山边坡坡体的上、中、下三个位置建立分站，并且每个分站都要通过“圆形区域”完成扫描。这里需要注意的就是，扫描仪器采集到的信息，并不能够直接运用，而是要对信息进行预处理，剔除误差信息，确保信息的客观性与可操性，为建立精确度高的DME模型提供数据支持。

2.2数据处理

采集数据工作完成后，紧随而来的就是数据处理工作，结合多年一线的实践经验，精确处理数据并非一项简单的工作，而是要通过多个技术环节共同协作完成，主要有点云数据匹配、各景扫描数据以及坡体DEM生成，具体如下：

（1）点云数据匹配。点云数据匹配的终极目标就是完成“点云坐标”到“大地坐标”的转化，而实际运用中，往往会采用“标志点匹配法”实现，具体步骤为：首先，按照空间坐标与距离值，处理矿山边坡坡体的第一幅点云标志点的集合，同时还要动态进行分层划分，进而形成层嵌套;其次，将矿山边坡坡体的第一幅点云作为基准，并将第一幅点云标志点与第二幅点云标志点进行匹配，这里需要注意的就是：匹配点云标志点时，要结合运动规律预设出数据采集的区域，同时要选用“区域数据匹配法”，将已然处理好的数据引入到相对应的数据层，进行更深入的预测估计，并要结合实况不断地修改、更正数据层，进而实现最优化状态。

（2）各景扫描数据绝对定位及拼接。点云坐标就是以各分站位置原点的三维坐标系坐标，而要想建立精确度高的坡体DEM模型，就要将各景的“点云坐标”统一呈现于同一坐标下。多视点云拼接就是贯彻实测位置的原则，将不同坐标系中的“分景”点云数据，统一在同一个坐标系中描述出来，得到较为完整、写实的三维物体。目前，在数据处理过程中，一般会运用标定物拼接和ICP（It-erative Closest Point迭代最近点）算法这两种方法，实现点云拼接[2]。

标定物拼接：最大的优点就是速度比较快，仅仅需要解一组线性方程组就可以，而最大的缺点就是准确率较低，因为标定物往往都有一定的体积，进而导致标定物点、线、面等的反射率的一致性难以保障。

ICP算法：是一種点集对点集配准方法。该方法的精确性非常高，操作便易，且扫描不再需要借助反射体，但是迭代过程会耗费大量的时间，特别是初值选择不当的情况下，收敛的速度就会更为缓慢，甚至会出现“发散”的现象。

试验时，可以选用CPS和全站仪对坡体进行联合监测而扫描。

（3）矿山边坡坡体DEM的生成。为了生成矿山边坡坡体的DEM模型，可以选用CYCLONE软件，利用其具备的数据导出功能，完成扫描格式IMP向用户需求格式IMP的转化。无论任何时段的DEM都要通过坐标进行统一描述，呈现于同一个坐标系统中，目的就是采用求差方法，对矿山边坡变形进行客观的分析。当比较同水平坐标点的高程变化时，就要将初始化的DEM数据作为参考，并将后面的DEM进行内插计算，进而获取坡体变化的大小。

3.结论与讨论

将某矿山边坡作为研究对象，为了监测该矿山边坡变形的情况，明确三维激光扫描技术较于常规测量方法优越，笔者分别采用了三维激光扫描技术与常规测量方法进行了监测，并对两种方法测量的数据结果进行了对比，见表1。

结合表1发现，三维激光扫描技术能够获取大量的点云数据，是传统测量法所获得“点”的数十倍，精确获取了坡体表面变化的情况，更生成了直观、形象的三维影像，同时它降低了投入的人力与费用，更提高了监测的安全性，避免测量人员深入矿区。而由甲、乙、丙、丁四个区域变化量的测量结果得知，三维激光扫描技术测量的数据更客观与可靠。除此之外，三维激光扫描技术能够为边坡灾害提供真实、客观、有效的预警信息。

参考文献：

[1]王黎明，刘夫晓，王新生.三维激光扫描技术在矿山巷道变形监测中的应用U].矿山测量，2013（03）：79-80+95.

[2]王伟忠，朱煜峰，王建强.三维激光扫描数据拼接质量改善方法研究——以新疆呼图壁煤矿为例卟现代矿业，2012（08）：49-50.