三维激光扫描技术在矿山大比例尺地形图测绘中的应用

王昌锐

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局三总队，贵州 遵义 563000）

矿山大比例尺地形图测量工作是地质矿产勘查、各类探矿工程（钻孔、平硐、槽探）等布设的基础性图件，也是深部采矿工程设计的基础。因此，如何准确、快速地获取矿山大比例尺地形图是影响资源勘查进度和找准开采工作面的基础[1]。三维激光扫描技术是以高精度的逆向三维建模以及重构技术为基础，对测绘区域进行“实景复制”的现代化新型测绘技术。该技术立足于三维扫描仪获取测绘区域的三维坐标数据信息，以三维坐标数据为基础，通过数据软件处理平台实现实体“复制”或者实景的三维立体信息，进而可以通过地形图生成以及编辑功能获得具有三维坐标信息的地形图，为建设三维立体地形图、三维矿山等奠定了基础[2]。传统的三维地形数据采集以单点的采集模式为主，获得的三维地形图是以离散的点为基础的，常见的测绘仪器有GPS、全站仪、经纬仪等，单点采集具有测绘工作量庞大、外业采点周期长等弊端，容易出现人为误差等[3-4]。随着科学技术的发展，逐渐实现了以面采集三维坐标信息的技术，如无人机航空摄影测量技术、无人机遥感测绘技术以及三维激光扫描技术等，能够在较短的时间内获取大面积的三维立体信息，产品成果精度高，具有明显的应用优势。

1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪为基础的现代化测绘新技术，在各行测绘领域都取得了显著的应用效果[1-5]。三维技术扫描仪由电源、内置现代化数码相机、后处理软件以及附属设备等组成，该技术的工作原理：三维激光扫描仪中设置的激光二极管发射周期性的激光脉冲信号，脉冲信号直射至测绘区域某目标表面并形成反射信号，进而被接收透镜接收目标表面的反射信号后生成一一对应的接收信号。在脉冲信号发射至反射信号接收的一段时间差内，若扫描仪距离目标表面的距离为S，三维激光扫描仪垂向方向和水平方向的观测角度值标记为θ和φ，那么目标物P的三维坐标为P（x，y，z），计算公式如下：

通过上述三维空间坐标计算公式就可以获得测绘区域任意一点P的三维坐标信息，因此，利用上述原理制作的三维激光扫描仪对测绘区域进行全方位的扫描，即可获得测绘区域对应的一系列的点云数据，进而通过数据处理、分析，获得测绘区域的三维坐标信息，结合制图软件自动生成测绘区域相应比例尺的地形图。三维激光扫描技术在大比例尺地形测绘中的应用流程示意图如图1所示。

图1 三维激光扫描技术在大比例尺地形测绘中的应用流程示意图

2 数据采集与处理

2.1 准备工作

在开展三维激光扫描测量工作之前需要进行充分的准备工作，包括测绘区域地形地貌的野外踏勘工作、设计编写、操作规范研读等。三维激光扫描仪在全方位扫描过程中，精度随着扫描距离的增加而逐渐减弱，即超过一定的扫描距离后所获的三维点云数据精度无法满足相应大比例尺地形图测量精度要求[6]。因此，在开展工作之前需要对测绘区域的地形地貌特征等进行分析，可以制定三维激光扫描仪的扫描半径，以确保三维坐标信息精度符合测量基本要求。此外，扫描过程中严格按照相关操作规范进行，可有效减少不必要的人为误差等。

2.2 外业数据采集

在完成准备工作的基础上，根据测绘地区地形地貌变化特征编制测绘设计方案，开始进行外业数据采集工作。外业数据采集是获取测绘区域三维坐标信息的原始数据，也是制作大比例尺地形图的基础原始数据。因此，在外业数据采集过程中必须确保采集的点云数据精度是满足相应比例尺地形图精度要求的。前文已述及，三维激光扫描仪的扫描精度受扫描距离影响较大，精度随着扫描距离的增加而逐渐降低，因此，外业采集数据时要根据测绘区域地形地貌、三维激光扫描仪型号、矿山地形图比例尺要求等确定三维激光扫描仪的最大扫描距离，主要目的在于确保每次扫描结果均满足相应比例尺精度的基本要求。

文章以某金属矿山1∶2000大比例尺地形图测绘为例，采用HDS ScanStation C10型号的三维激光扫描仪，最终确定该测绘区域的最大扫描距离为270m和300m两种。此外，为了提高该矿山大比例尺地形图精度，此次测绘过程中根据测绘区域踏勘成果资料将测绘区域分解成3个子区块，尽可能减少测绘盲区的出现和测量基站的站数，为提高测绘精度和测绘效率奠定基础。在外业进行数据采集过程中，每站三维激光扫描任务完成后需立即检核扫描数据质量能否满足相应比例尺地形图的基本精度要求，若所获扫描数据质量达标，即可进行下一基站的测量任务；若所获扫描数据的精度不能满足相应比例尺精度要求，则需要及时查找造成精度降低的原因并及时开展重测工作，直至每一基站的扫描数据质量均达标为止。

2.3 坐标转换与点云数据配准

由于三维激光扫描仪的扫描精度随着扫描距离的增加而降低，因此，完成某一矿山大比例尺地形图测绘工作需要进行多基站点云数据配准与坐标转换工作，才能使得测绘区域的三维坐标信息统一至某一坐标系统下，相继生产最终的地形图[5]。利用三维激光扫描技术获得的每一基站的扫描数据均为扫描仪内部的自定义坐标系统，即所有的点云数据系统是不统一的[7]。因此，在进行数据处理之前需要进行数据转换，需要将测绘区域各个独立的站点坐标系统统一至某一坐标系统中，但是为了提高各个独立坐标系统之间的转换精度，可以将测绘区域中的其他独立坐标系统先统一至某一测站的局部坐标系统下，即通过利用相邻站点之间多个同名控制标靶的配准提高坐标转换精度。

点云数据的配准方式对点云数据的配准精度影响较大，一般可分为相对配准和绝对配准两种方式。其中，点云数据的相对配准指的是以测绘区域某一站点的局部坐标系统为基础，将其他各个独立的点云坐标统一至该坐标系统之下，一般需要不同站点之间至少有3个同名标靶才能完成相应的数据配准。随着测绘面积的增加，需要配准的独立基站坐标系统数量也越多，使得传递误差逐渐增大，因此，在基站数量多的测绘任务中不宜使用该种配准方式。点云数据的绝对配准方式是三维激光扫描测量与传统的测量仪器（GPS、经纬仪、全站仪）等相结合，也就是利用其他单点测绘方式获取每一基站的坐标系统和标靶的坐标，也意味着使用不同的测绘手段将目标点的坐标绝对化，进而将各个测站的坐标转化至绝对的坐标系统下，因此，绝对配准方式不存在传递误差，获得的地形图精度也更高。

2.4 大比例尺地形图制作

三维激光扫描技术的基本原理是以激光脉冲信号和目标表面反射的信号为基础计算的三维坐标信息，因而，通过激光扫描获得的点云数据除了包含地形信息，还包含了电线杆、房屋、树木、植被以及大量的其他噪声。因此，在生产大比例尺地形图之前需要进行非地形数据信息的过滤和剔除工作。非地形信息数据的过滤和剔除一般是采用软件平台完成的，文章选用Cyclone软件剔除树木、植被、房屋、电线杆、高压线以及其他噪声，完成后根据1∶2000大比例尺地形图要求按照一定等高间距手动提取测绘区域的高程点数据，进而自动生成相应比例尺的等高线。在自动生成等高线后，需要及时查看自动生成的地形线是否存在扭曲、不光滑，甚至是缺失等问题。若存在上述问题，需对比扫描时自动存储的扫描照片进行手动修正，确保无误后添加高程注记点、标准图框等信息，进行地形图图面整饰以及核查工作，无误后提交成果资料。

3 结束语

综上所述，三维激光扫描技术与传统的测绘技术相比，显著地缩短了外业数据采集周期，减少了大量的外业工作，提高了测绘效率；使用三维激光扫描测量获得的点云数据精度高，数据配准和坐标转换技术相对较为成熟，生产的最终大比例尺精度高，能够满足相应比例尺地形图的基本精度要求。但是，三维激光扫描技术所获的点云数据不仅包含了测绘区域真实地形信息，还包含了大量的树木、植被、房屋、电线杆、高压线等以及其他噪声，在噪声剔除过程中尚未形成一套完整有效的点云数据处理并生产高精度地形图的方法。因此，在今后的研究过程中应加强点云数据处理等技术的研究工作，为该技术的进一步发展奠定基础。