三维激光扫描仪在山地地形测量中的应用

三维激光扫描仪在山地地形测量中的应用

康柱

宁波冶金勘察设计研究股份有限公司  浙江省宁波市 315100

摘要：在山地工程中，地形的测量是非常重要的一项内容。三维激光扫描仪在矿山地形测量工作当中，运用无接触的测量形式，使得工程测量应用范围不断提高，改变了过去传统测量工作当中单点数据采集方式的不足，实现了三维立体数据采集。为了进一步提高矿山地形测量当中三维激光扫描技术应用水平，本文首先分析站式扫描仪RTC360，其次探讨三维激光在矿山地形测量中的应用，以供参考。

关键词：地面三维激光扫描；矿山地形测量；应用

引言

伴随着三维激光扫描技术的发展，利用扫描仪快速获取三维空间信息，真实还被测物体的三维实景，为很多问题的解决提供了一种新的途径。获取树木生长因子的方法很多，传统的调查方法主要是利用测高器或全站仪测定树木的高度和位置，实地调查与测量虽然能够准确地获取树木参数因子，但需要耗费大量的时间、人力，调查周期长、效率低，且数据的实时性和空间上的完整性无法很好地保持一致。随着三维激光扫描仪的出现，利用点云数据可以提取树木因子。

1地面三维激光扫描的测绘原理

地面三维激光扫描技术也是一种高新测绘技术，能够通过配备的 LIDAR激光雷达扫描系统实现非接触的全景化高清三维彩色散点扫描。扫描时，三维激光扫描仪器发射激光脉冲，测量光源与待测物体之间的垂直距离 L，并旋转水平马达转动装置获取各激光水平扫描角度 α，另外，三维激光扫描仪器也可以旋转垂直马达转动装置获得各激光垂直扫描角度 β，依据几何换算关系可以获得待测物体任意点的三维坐标值。

2三维激光扫描仪在矿山井下测量中应用优势

传统矿山井下测量手段对新开挖的巷道的空间位置、形态、变形观测等三维立体数据未能予以正确及时获取。为满足矿山安全生产要求，发挥数字化矿山实时管控开挖管理作用，需要对其内部进行测量，获取井下矿山开采现状的精确三维信息。但利用传统常规的测绘仪器无法进行现场测绘或者效率低下，需重复设站和转站，测量精确度也难于满足新的要求。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，为快速重建整个构筑物的全部空间几何特征，以点云的形式获取物体或地形表面的三维空间尺寸信息和反射率信息，并可以逼真地保留被扫描对象的纹理。目前，三维激光扫描仪有很多种选择，大多为进口设备。其中，GeoSLAMZEB-HORIZON移动式三维激光扫描仪作业方式灵活，仅用一人就可以实现室内外一体化扫描作业，作业时间短，无需换站，连续采集，具有连贯性。有效解决了传统作业方式仪器设备组装困难，不方便操作、时间长、工作效率低等难题。同传统数据采集方法相比，三维激光扫描技术具有自己独特的优势：①数据采集速度快，外业时间短；②数据量大，精确度高；③主动性强，不依赖光照；④处理自动化，信息传输快；⑤表达容易，点云数据不仅包含空间坐标信息，同时还包含点位的属性信息。由此可见，三维激光扫描技术对于在进行狭长型结构的矿山井下测量工作要比传统测量方法具有更大的优势。

3三维激光在矿山地形测量中的应用

3.1点云拼接融合

GeoSLAMZEB-HORIZON设备扫描完成后，数据通过U盘自动下载，进行数据检查和参数设置，将数据导入到GeoSLAMHub软件进行自动解算，自动化程度高，无需人工干预。对多段已转换坐标的分段扫描数据，需进行拼接融合，融合后需进行噪点剔除及数据简化处理，增加点云的可视化效果。

3.2数据坐标转换

GeoSLAMZEB-HORIZON设备采集的点云数据坐标是相对的，需要转换成绝对坐标，需在各分段扫描的巷道两端布设控制点，扫描时将基准版放置在控制点上静止5秒，系统便可自动记录该控制点的参考点位。为避免转换误差累积，数据转换计算采用仿射变换方式。最后通过GeoSLAMHUB软件进行校正坐标即可，软件自动生成转换后的相对精度报告。

3.3精度评定

为了验证GeoSLAMZEB-HORIZON移动式三维激光扫描仪的精度，对正在开采的某小段巷道已知采矿石量进行体积测算，验证哪种测量手段更加接近真实值。通过分类提取巷道的特征点数据集，如巷道顶上布设的控制点等，并采用传统的全站仪等常规测量手段对其精度进行可靠性验证，对扫描精度进行了评定，并对其误差进行分析。为了保证真实值的准确性，在现场对采空区矿石的体重进行了重新测算，获取该巷道矿石体重为：2.66吨/立方米。使用三维激光扫描仪测量的结果，与真实值只相差了6.3吨，而且扫描时间更短，获取点数更多，如果测量更大的采空区，精度会更高。

3.4内业处理

在利用三维激光扫描仪对具体地形进行扫描后，必将获取大量的地形数据，而为确保数据结果的精准度，则需对其予以相应的处理。考虑到三维激光扫描仪所扫描数据，除了包含自然环境数据外，尚有社会环境等数据，而针对这些数据的处理又是一项极其复杂的工作。因此，为确保数据的精确型满足相应标准的要求，具体的处理工作可结合Cyclone、leica等处理软件来完成。至于详细的处理国策灰姑娘，则是首先利用软件内置的过滤器，首先过滤处理掉一些无用的数据，而经确认有效的数据，最终需转化为txt格式，并保存至相应的数据库中。

3.5竣工图绘制

首先进行坐标系的旋转和网格建立，定义参考面，使得点云便于人眼识别提取;然后利用Cyclone进行点云的切片处理;最后利用CAD插件CloudWorks导入切割好的点云数据，在CAD中提取山地地形物的特征点、线，绘制山地地形物的综合竣工图，也可将点云数据导入EPS三维点云模块可以半自动绘制出山地地形物综合竣工图。

4案例分析研究

ＲＴＣ三维激光扫描仪每秒可以获取200万个点，点位精度1．9ｍｍ，该设备的精度是1．9ｍｍ@10ｍ；2．9ｍｍ@20ｍ；5．3ｍｍ@40ｍ。在40ｍ距离内均可达到毫米级精度。利用该三维扫描仪分别获取了单木2016年、2021年的2期点云数据。初始点云数据包含2000多万个点，由于三维激光扫描仪是全景扫描，获取的点云数据存在噪声点。另外，获取的点云数据量较大，需要对点云数据进行压缩、去噪处理。针对2021年扫描获得的点云数据，利用最小二乘法对树木主干的点云进行拟合，获取的树木胸径周长为1．36ｍ，对树木的胸径进行实测，实测树木胸径周长为1．38ｍ，两者误差为0．02ｍ，基于三维扫描数据可以获取单木参数因子，获取的精度满足要求。针对2016年的点云数据获取胸径的周长为1．24ｍ，胸径为0．39ｍ，2021年该树木的胸径为0．43ｍ，胸径的每年的增长率为8ｍｍ／ａ。

结语

综上所述，相比于站式扫描仪RTC360，Pegasus:Backpack背包作业效率更高，外业操作更为简单，可方便获得地上地下一体的三维点云数据。受制于作业原理，其精度略低，但完全满足综合竣工地形图及地下人防工程测绘的要求，在类似工程中可以将两者结合使用。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，利用三维激光扫描技术可以精确地获取植被生长因子，该研究方法对监测树木的生长具有重要的价值。

参考文献

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[2]王波.影像特征线辅助下的三维激光点云山地地形物建模[D].南京师范大学，2013.

[3]韦武化.三维激光扫描技术运用于隧道断面变形测量[J].北京测绘，2020，34（04）：561-565.