三维激光扫描仪在矿山地形测量中的应用及精度分析

陈 玲

（新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091）

三维激光扫描技术作为一种先进的测绘技术手段，在矿山地形测量工作当中，是以非接触方式来对矿山地形以及复杂的环境条件、空间信息进行快速的扫描和测量，来有效获取相关信息数据，不仅大幅提高了测量效率和质量，而且还能自动化存储相关数据，并结合实际要求进行计算，获取相应点云数据，通过计算机分析处理点云数据之后，能够及时迅速的完成三维模型构建，大幅提高了矿山地形测量的精准性与可靠性，为矿山地形测量工作带来了巨大便利。

1 三维激光扫描技术相关概述

三维激光扫描技术可以对空间数据信息快速获取，而且精准化程度较高，测量工作开展过程当中不需要对测量物进行直接接触，在很多领域当中发挥的作用越发重要起来[1]。尤其是在矿山地形测量工作当中近些年来，应用普及率越来越高，成为开展矿山地形测量工作全新的技术手段。

2 三维激光扫描系统

由于三维激光扫描仪由于不同的扫描平台，又有地面激光扫描系统以及机载激光扫描系统和手持激光扫描系统之分。激光扫描仪以及扫描仪旋转平台、数码相机和电源、软件控制平台相关附件共同组成地面三维激光扫描系统。

2.1 地面型三维激光扫描原理

此项技术手段是基于无反射激光棱镜长距离快速测距技术以及空间点阵扫描技术基础上发展起来的重要测绘技术手段，这种测绘技术手段在测量工作当中不需要与测绘对象直接的进行接触，能够广泛的对空间三维信息进行高密度获取。测量工作当中，扫描仪发射器将激光脉冲信号发出之后，通过物体对信号进行漫反射，并随着相同的路径向接收器传回。能够对目标点P和扫描仪中心距离开展相应的计算工作，时钟控制编码器能够对各个横向激光脉冲扫描角度观测值开展同步测量，并测量扫描角度纵向观测值。通过定位角度进行分析，相较于传统全站仪测量技术手段，三维激光扫描技术与之基本相同，测量工作当中运用激光三角法，基于仪器这一坐标原点（O）中心，借助测距（S）以及测角（θ，α）对目标和原点相对的P（x，y，z）三维坐标进行解算，并利用平移坐标系以及旋转，来对各种坐标系统地理坐标进行获取[2]。但两种测量技术手段也有很大不同，运用地面三维激光扫描技术进行测量工作过程当中，不仅具有很高的精度而且还有很高的自动化程度，可以更加及时全面的对相关数据进行获取。

2.2 地面型三维激光扫描技术的特点

①非接触测量：该技术在测量过程当中，是进行非接触扫描方式进行测量，不需要反射棱镜，也不需要处理测量物体表面，可以对物体表面信息数据直接采取，能够真实的采集相关数据，能够有效应对不利环境以及一些危险目标，工作人员难以企及的问题，这是过去传统测量方法是很难达到的。②具有很高的分辨率与高精度：三维激光扫描技术测量工作当中，不仅精度高，而且效率也非常高，能够对所测物体表面丰富的点云数据快速获取，并能在测点间距为0.1m～2.0m条件下，这一所测目标三维数据高密度的获取，所以分辨率非常的高。③可以高效率地开展数据采样工作：运用时间激光或者脉冲激光三维激光扫描仪器设备，能够在数千点/秒效率下完成采样工作，而三维激光扫描仪器运用相位激光开展测量工作，其测量效率在数十万点/秒水平范围，相较于传统测量手段，数据采样效率非常之高。④效率高：三维激光扫描技术运用高速非接触式激光测量方式，通过点云方式对地面阵列式几何图形数据快速的获取，相较于普通工程测量其优势非常的突出，能够高效率的开展测量工作。

2.3 地面型三维激光扫描技术的数据处理

点云数据通过三维激光扫描技术手段进行获取定对实体三维几何模型进行构建，在应用对象的不同以及点云数据特性不同，数据处理过程当中运用三维激光扫描进行处理，也有着不同的方法。概括进行分析。处理的整个过程主要涉及以下几个方面：如去除相应的噪声、多视对齐，精简相关数据，重构曲面。重建模型需要以采集数据开始，处理数据才能将点云数据进行精选重建模型，控制和减少重建模型的复杂程度，保证更加高效精准的重构模型。具体应用过程当中，结合三维激光扫描仪器设备具有的特点和建模工作开展需求，对相应的处理方法及其策略科学选择。

（1）去除噪声。是将点云数据内，存在错误的一些信息数据给去除，受不良环境影响还有一些特殊因素影响，如设备方面的问题或者行人、树木等因素影响，导致三维激光扫描仪在扫描过程当中采集到，影响地貌真实情况，这就需要将其去除。

（2）多视对齐，测量物体大而复杂，测量工作当中难以一次完成，需要通过各个视角开展测量工作，这就需要多视对齐，为了确保精度要求，开展不同视角扫描工作当中，应当确保相应区域具备一定重叠度，控制网统一构建，确保同一坐标系当中获得相应的扫描数据，保证拼接精度。

（3）数据精简，海量获取的点云数据，在确保精度，不对曲面重构造成影响的前提下，应当有效的精简数据，运用的经典方式主要包括以下几点，通过平均方式进行精简，或者通过距离进行精简。

（4）曲面重构，是为了将扫描目标真实情况充分体现出来，应当对扫描数据曲面准确的进行表示。结合曲面重构不同的表现形式，又有离散重构与函数重构之分。

3 三维激光在矿山地形测量中的应用

3.1 基本流程和软件开发

（1）基本流程。矿山地形综合测量工作当中，运用三维激光扫描手段开展测量，具体步骤参见图1：首先实施野外测量工作，同时整理分析相应资料，之后快速的进行成图，在野外测量工作当中，主要涉及操作激光扫描仪器设备，对反射片合理设置，通过GPS技术高效的开展测量工作。分析整理相应资料主要涉及转换坐标，自动过滤非地面点，构建dDEM，保证及时的进行成图。

图1 工作流程简图

（2）软件开发。为了高效的处理相关数据，达到及时成图的效果，便可通过IDL工具对数据信息处理编制相应的软件，LIDARVIEW。IDL能够直接面向矩阵，具有非常简单的语法，编程可视化，可以应用于很多领域，读取与计算包含数据，开展三维建模。由于该编程语言直接面向矩阵，因此能够及时的分析处理相应数据，这对于三维激光扫描技术应用发挥着非常重要的作用。另外，在复杂计算工作当中，该软件还能将一些计算模块儿额外的提供出来，使其计算精确度及其效率大幅增强。

3.2 三维激光扫描在某矿山地形测量中的应用

（1）获取野外资料。某矿山达到8000m2总面积大小，约有6000m2面积大小的矿坑，采石场人为因素所形成，不仅具有非常大的面积，而且也有着十分复杂的地形，植被分布稀少。结合矿区实际运用三维激光扫描技术开展矿山地形测量工作，为了确保测量工作的稳步推进，设置两人进行野外数据获取，持续进行2d工作，结合矿山总面积开展扫描工作，野外测量工作开展过程当中，共进行19个站扫描，获得的精度应当在±5cm水平，坐标共获取三十余万多个，进行单站测量工作当中，共对五个观测反射片进行设置，同时运用GPS对中心点相应的大地坐标进行获取。

（2）整理分析数据，绘制地形图。经三维扫描获取的激光点云数据输入到LIDARVIEW中，并通过该软件实施坐标转换，并开展多站拼接工作，过滤掉一些非地面点，将地表数据进行获取，对矿山高线图进行生成，并获取DEM，数据通过室内进行处理，时间需要1h左右的消耗。

4 精度评价

此项目开展过程当中，运用三维激光扫描技术来完成，分析处理测量获得的成果，并评价其测量精度，评价精度过程当中主要运用相对以及绝对两个方面开展精度评价。评价相对精度过程当中，基于矿山地形图信息资料基础上，光扫描技术在矿山地形测量方面的应用精度进行评价。评价矿山地形图测量工作当中，三维激光扫描技术绝对应用精度过程当中，随机将两处区域进行选取，采取研究区域实地点位，并对比测图成果，对点位当中的误差进行计算，获取相应的绝对精度，通过研究了解到，借助三维激光扫描技术进行矿山地形测量，其精度符合相关要求。

5 结语

综上所述，文中结合实践对矿山地形测量工作当中三维激光扫描技术的应用及其精度分析，针对矿山测量工作当中三维激光扫描技术应用，提出相应的测量流程以及方法。并针对三维激光扫描技术，矿山测量工作当中数据分析方面的重难点，将处理激光扫描数据专业软件给设计出，即LIDARVIEW，借助这一软件进行数据处理，并与激光点云数据充分结合，将矿山地形图精准绘制出，完全符合相关精度要求，取得了较好的应用效果。