三维激光扫描技术在金属矿山大比例尺地形图测绘中的应用

赵晋睿，崔英良

（河北九华勘查测绘有限责任公司，河北 保定 073100）

随着社会现代化信息化发展进程的加快，“数字城市”、“数字矿山”等理念相应而出，这就对大比例尺地形图精度等提出了更高要求。如何在较短的周期内获得精度更高的大比例尺地形图成为建设“数字矿山”的基础，也是矿山生产建设的基础。传统的地形三维数据采集以单点采集方式为主，如经纬仪、全站仪、GPS等。随着科学技术的快速发展，逐渐以面采集为主，如三维激光扫描技术、无人机航测技术以及遥感技术等，提高了数据采集效率。

1 相关概述研究

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术在实际开展作业中，主要结合三维激光扫描仪获取数据信息，其作为一种新型的现代化测绘手段，在金属矿山大比例尺地形图测绘中发挥重要的作用效果。通常而言，三维激光扫描仪包括以下几部分，即电源、内置数码相机、相关处理软件以及激光发射器等，该技术的主要原理如下，即由三维激光扫描技术中激光二极管发射相应的脉冲信号，这种信号在接触到待测目标后会形成反射信号，然后被接收透镜接收目标表面的反射信号后，生成逐一对应的接收信号。在信号发射到后续接收的这一段时间里，设三维激光扫描仪与待测目标之间的距离为S，仪器垂直和水平方向的观测角度分别为θ、φ，此时待测目标P的三维坐标P(x,y,z)，主要计算如下：

由上述公式（1）可以直接计算得出待测区域内任意一点的三维坐标信息数据，可见三维激光扫描仪主要通过这一原理对目标区域实施全面可行的测绘扫描，获取得到待测区域的点云数据，再经过数据处理和分析，最终得到三维坐标信息数据，为后续大比例尺地形图的绘制提供有效的数据指导。通常而言，三维激光扫描技术凭借其自身诸多的功能优势，被广泛运用到金属矿山大比例尺地形图测绘作业中，详细流程如图1所示。

图1 三维激光扫描技术流程

1.2 金属矿山大比例尺地形图测绘的意义

在金属矿山资源开发利用前，一般需要进行科学有效的地质勘探作业，而要想确保勘探作业的整体质量，必须要通过金属矿山大比例尺地形图测绘提供可靠性的数据支持，为后续资源开发利用的有效开展奠定坚实基础。当前金属矿山大比例尺地形图测绘中受到多方面因素的干扰和影响，难以为后续的勘探质量水平提供必要保障，所以如何运用先进的技术工艺，提升大比例尺地形图测绘水平是当前需要重点解决的难题。随着科学技术水平的不断提升，很多新型的测绘技术手段由此诞生，其中就包括三维激光扫描技术，该技术最大优势是非接触、多平台以及减少人工作业量等，且以逆向三维建模技术为基础，可以构建出高分辨率的实景影像信息模型，为工作人员开展后续的分析和决策提供直观立体的参考依据。在实际运用该项技术过程中，通常主要结合三维扫描仪获取目标的三维坐标信息，在此基础上利用相关的计算机处理软件对采集到的数据信息进行处理，最终生成三维矿山立体地形图。对于以往的三维地形数据信息采集工作来说，受到技术手段等方面因素的制约，数据采集大都以单点采集为主，如此获取的三维地形图一般都是以离散点作为支撑，工作开展中常见的设备仪器包括经纬仪、全站仪等，由于单点数据采集工作强度比较大，不仅增加了多余的劳动力，而且还大幅延长了测绘周期。而新型三维激光扫描技术的替代，并且将其与无人机测量技术等进行融合，可以发挥出更加理想的作用和效果，提升金属矿山大比例尺地形图测绘水平。

2 三维激光扫描技术在金属矿山大比例尺地形图测绘中的应用

2.1 准备工作

在实际结合三维激光扫描技术实施金属矿山测绘前，首先需要做好前期准备工作，包括野外踏勘、资料收集以及方案制定等等，为后续开展实际大比例尺地形图测绘奠定基础。虽然三维激光扫描技术具备高精度的优势和功能，但是实际当中该技术的测绘精度会随着扫描距离的增加而降低，当超出一定标准以后，该技术所获取的三维点云数据准确性便无法满足精度要求，给后续大比例尺地形图测绘造成很大的困扰。针对于此，在实际开展作业之前，相关工作人员一定要明确区域矿山地形地貌以及其它特征，结合测绘工程实际，对三维激光扫描仪的扫描半径参数进行规划设计，确保该技术采集的三维点云数据信息满足实际的精度要求。不仅如此，为了进一步提升测绘质量和水平，在实际利用三维激光扫描技术开展作业中，工作人员要严格按照技术规范执行操作，尽可能的降低测绘误差出现的概率。

2.2 数据处理

利用三维激光扫描技术实施数据采集和处理，详细流程如图2所示。

图2 数据处理流程

2.2.1 外业数据采集

在准备工作结束之后，需要结合工程实际情况制定行之有效的测绘方案，以此为后续外业数据采集工作的开展提供指导。由于外业数据采集属于三维坐标信息的原始测绘数据，要想为后续大比例尺地形图测绘提供指导和参考，还需要对原始数据信息进行处理。对于外业数据采集而言，除了一般意义上的控制数据采集精度以外，还需要结合工程实际情况，对三维激光扫描设备型号、参数等进行确定，同时结合方案合理明确三维激光扫描仪的最大扫描距离，为确保数据采集结果的准确性和可靠性奠定基础。在某金属矿山1∶2000大比例尺地形图测绘作业中，结合HDS ScanStation C10型号的三维激光扫描设备实施作业，结合当地的地形地貌以及其它参数信息，最终明确三维激光扫描设备的扫描距离最大为300m。在该工程测绘项目中，为了尽可能的提升大比例尺地形图测绘效果，相关工作人员需要结合踏勘结果对矿山测区范围进行分解，将其划分为三个子区块，一方面是以此降低测绘盲区以及基站数量，提升数据采集质量和效率，另一方面也能显著降低人力成本的投入，确保经济效益的显著提升。需要注意的是，在实际进行外业数据采集工作当中，在完成每一站三维激光扫描任务指标后，需要及时对扫描数据信息准确性进行评价，判断其是否可以满足实际的大比例尺地形图测绘精度要求，如果数据质量过关，便可以开始下一环节的测量工作；反之，如果数据检测不合格，需要开展重复性测量和采集工作，直至精准度符合要求即可。

2.2.2 坐标转换与点云数据配准

为了在实际开展三维激光扫描作业中，消除扫描精度受距离参数影响的因素和问题，工作中需要进行多基站点云数据配准以及坐标转换操作，详细如图3所示。

图3 点云数据坐标转换

其目的是让待测矿山区域的三维坐标信息统一转换到单一坐标系统当中，为后续地形图生成奠定基础。通常而言，结合三维激光扫描技术获取的基站数据信息大都是设备仪器内部的自定义坐标系统，也就是说采集得到的点云数据系统存在很大的差异性。针对于此，在对外业数据信息进行从处理前，需要将差异性的坐标系统统一整合到单一坐标系统中，在转换过程中为了尽可能的确保精度不受影响和干扰，可以先将区域范围内其它独立坐标系统转换至单一测站的局部坐标系统中，然后结合相邻站点间多个同名控制标靶的配准方式，以此达到提升坐标转换结果准确性和可靠性目的。对于点云数据配准方式来说，其对于点云数据整体精准度干扰比较大，通常可以细分为两种形式，即绝对配准和相对配准，前者在实际运用过程中一般是将三维激光扫描技术与传统的测绘方式相结合，包括全站仪、经纬仪等，凭借单点测绘的独特优势和功能，获取单一基站的坐标系统以及标靶坐标，实现不同测绘手段对于目标点位坐标绝对化控制，最终完成对于坐标系统的转换工作；后者主要基于单一站点的局部坐标系统，对其它独立点云坐标进行统一整合，通常为了确保转换的质量和效果，需要确保不同站点之间至少存在三个同名标靶，以实现相应的数据配准。在利用该方式进行坐标系统转换工作中，随着测绘区域面积的不断增大，配准独立基站的坐标系统数会呈现增高的趋势，相应的数据传递精度会大受影响。因此，两种数据配准方式中，绝对配准的传递精度更高，基本不存在误差问题，所以可以有效确保后续大比例尺地形图测绘的质量水平。

2.2.3 三维建模及面积核算

（1）数据分区。某项目需分别对三处已挂网区域和其他域进行三维建模和表面积核算处理，基于点云数据特点及赋色情况，建立如下分区原则：第一，挂网区域直接根据挂网区域的边界进行选点，对于边界模糊不清的区域，宜采用最小包围矩形替代；第二，对于未挂网区域，则以连续区域为分区原则，即连续区域可归为同一个分区，地形出现连续转折的区域要分开计算，边界以植被线为准。根据以上点云分区原则对指定区域进行分区，最终共将场区分为8部分，分区123代表已挂网区域，其他为未挂网区域，如图4所示。

图4 场区分区图

（2）三维建模。将分区后的点云导入到相关软件中，首先进行孤立点去除操作，以避免建模过程中产生较多钉状物；然后进行点云孔洞修补、三角网封装、孔洞修复、平滑钉状物、网格平滑等一系列操作，采用自动修复和人工干预相结合的修复手段对模型进行综合处理，最终得到各个分区较为平滑的三维模型成果，详细见图5所示。

图5 孔洞示意图

在建模过程中，对面积计算在建模过程中，对面积计算影响较大的当属孔洞修复和平滑钉状物，因为孔洞代表点云的缺失，而钉状物代表无效点云的增多，相比于孔洞，钉状物的修复更为复杂，因此在数据预处理和建模之前的孤立点去除操作中，要尽量保证噪点去除工作的完善。

2.2.4 大比例尺地形图制作

三维激光扫描技术的原理是通过脉冲信号以及目标反射信号等，以此为基础计算三维坐标信息数据，所以在实际的测绘工作中，地形图数据信息采集还需要涉及到区域房屋、植被以及电线杆等目标，这些因素的存在对于大比例尺地形图测绘精度会造成严重的影响。因此，在实际利用三维激光扫描技术实施测绘前，一般需要先对区域内非地形数据信息进行过滤处理，以达到规避干扰的效果。通常而言，对于非地形数据信息的剔除需要结合计算机软件来实现，比较常用的是Cyclone软件，该软件可以结合大比例尺地形图测绘要求，根据规范的等高间距对区域的高层点数据进行提取。在完成这一操作后，相关测绘工作人员需要对生成的地形线质量进行检测，检查是否存在扭曲或缺失等问题，一旦存在质量隐患，要结合扫描自动存储的照片信息，在此基础上对地形线进行修正处理，直至质量达到相关标准后进行高程标注点的添加，最终进行图面整饰和核查。

2.2.5 工作难点及解决措施

在本次金属矿山大比例尺地形图测绘作业中，利用三维激光扫描技术实施测绘存在以下几点问题：第一，扫描路线规划问题。由于本次研究的矿山区域属于环形地带，受到地形地貌等因素的干扰和影响，扫描工作无法沿着环形路线进行，并且矿区内部分区域存在遮挡问题，导致后续数据采集以及地形图生成质量受到影响。针对于此，要对现有的三维激光扫描规则进行调整和优化，在区域视野开阔的位置将扫描间距控制在50m的标准，然后结合具体的遮挡情况，对扫描间距参数进行灵活调整，确保数据采集的可靠性；第二，数据分区问题。该测区内地形存在起伏问题，加之树木、植被等因素的干扰，使得点云分区难度进一步加大，由于分区规则存在明显差异，导致各个分区模型质量千差万别，最终对地形图测绘质量产生影响。对此，在实际开展作业中需要结合地形特征以及点云密度等参数，明确点云数据分区标准及原则，即挂网区域可以直接结合已挂网区域边界进行实际划分，其中边界划定模糊位置，可以运用最小包围多边形方式进行分区；未挂网区域严格遵循连续分区原则，以地形特征线为边界实施分区。

3 结语

综上所述，三维激光扫描技术在金属矿山大比例尺地形图测绘作业中发挥出巨大的功能优势，可以显著提升测绘准确性，同时减少人工劳动力，为后续地质勘探提供有效的参考和依据。本次研究通过实例分析，重点就三维激光扫描技术的运用流程进行研究，其中包括前期准备、外业数据采集、坐标转换与配准以及大比例尺地形图制作等，通过研究发现该技术在提升地形图测绘质量方面效果显著。需要注意的是，在技术运用过程中要特别注意扫描线路规划以及点云分区等工作，对于工作开展中可能存在的影响因素进行分析，结合实际情况制定有效的应对措施，提升测绘质量水平，为后续大比例尺地形图测绘作业高效开展奠定坚实基础。