基于3D激光扫描的矿山地形测量技术应用

基于3D激光扫描的矿山地形测量技术应用

陆国华

山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司山东烟台265147

摘要：随着信息科技技术的快速发展，我国在矿山的地形测绘中开始逐步运用3D激光扫描技术。基于GPS及测距技术，计算机可以将测绘收集到的点位信息自动整合为3D图像进行输出，提高了测绘的准确性与工作效率，受到广泛的关注。文章重点梳理其技术原理，并对具体的应用进行分析，希望通过文章的研究能够为后续的相关工作开展提供必要基础保障。

关键词：3D；激光扫描；矿山；地形测量

引言：与传统的测量技术相比，应用3D激光扫描能够更为快速、更为准确的提供地形的精准信息，尤其是基于测量与绘图的一体化建设更是使得其在测量过程中具有“所见即所得”的良好人机互动体验，进而受到了社会各界的广泛关注与认可。本文以其作为研究对象，在系统分析去作用原理的基础上，对在矿山测量中的具体应用进行分析，希望通过本文研究能够为后续的相关工作开展提供必要依据。

1.3D激光扫描仪技术

1.13D激光扫描仪简述

创造出3D激光扫描技术的时间为20世纪90年代中期，是在测绘领域发明了GPS定位技术之后，所研制出的新型扫描技术。它与之前的单点测量方法不同，它所具有的高效作业、准确测量的优势，是以往传统测量技术所不能比拟的，被扫描物体表面的立体坐标数据可以被快速测绘出来，使所得到的数字地形模型具有更高的分辨率。

1.23D激光扫描仪的技术原理

3D激光扫描技术又称“实景复制技术”，它突破了传统的单点测量方法，能够提供扫描物体表面的3D点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。它通过高速激光扫描测量的方法，以被测对象的采样点（离散点）集合—称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据最近几年所出现的3D激光扫描技术，引起了国内各研究领域的关注，把激光测距的技术运用到3D激光扫描技术当中，然后再把被测物体表面的3D坐标记录下来，查看物体的反射率后，让被测物体的立体模型数据以及其他数据，在最短的时间内被还原。改变了传统测量技术的单点测量，演变成可以对物体进行测量的扫描技术。使用3D激光扫描技术的范围变得越来越广泛，比如建筑领域、土木工程领域、室内设计领域、交通事故领域、数字城市领域、军事领域和灾害评估领域都有应用。

1.33D激光扫描技术在各领域当中的应用

经过改革创新后的3D激光扫描技术日渐完善，一些3D扫描设备也被大量畅销、广泛使用，在使用3D激光扫描仪扫描物体时，可以缩短扫描时间，扫描后得到的点云数据也非常准确，可以反映出真实的数据，因此在各种领域中都有应用。

物体测绘领域：在建设大坝和电站时，经常被用于物体测绘工作中，还被运用到公路、铁路、桥梁和建筑物等各种建设的测绘当中。程结构领域：在进行桥梁改建工程时，可应用到桥梁的结构测量当中，可以测量几何图形的尺寸、空间位置和空间面积等，也可应用到管道线路的测量与安装工程中。军事领域：可被应用于军事当中的反恐行动，用于陆地侦查和攻击当中，可以对犯罪现场进行移动监控。游戏开发与电影制作领域：在拍摄电影的过程中，经常被用于电影的场景设计，还可以把这项技术用于网络虚拟游戏的开发中，制成虚拟影像。灾害预防领域：可以被应用到灾害估计当中，可以进行地址灾害地形的勘察，以及进行现场检测。

2.3D激光扫描的矿山地形测量技术应用

3D激光扫描技术的应用分析3D激光扫描技术具有动态监测、数字化、精确度高等优点。据进行更全面的分析和处理，并利用计算机显示屏将地理信息数据反映出来。例如，利用此信息系统建立矿山地质的3D模型，可以清楚地描述矿山地质的实际情况；帮助测量人员更准确地掌握矿山地质的范围和构造，进而勘查出新矿山的储量和种类，提高矿山开发和利用的工作效率。

2.1矿山地质快速测绘的分析

3D激光扫描技术利用扫描仪对矿山地质进行扫描，从而得到矿山地质的3D信息数据，并建立相应的模型；该技术不需要直接接触被测物体，就可以快捷和实时地获得物体的信息数据，进而根据测量的信息数据建立相关的3D模型；3D激扫描技术通过测量点的信息，将测量的各个点的坐标整合为3D点数据，不需要对实景进行处理，就可以得到真实的数据。3D激光扫描技术在矿山地质测绘中的应用，既可以促进企业对于矿山地质的准确性管理，方便于工作人员查询矿山地质的实时信心数据，并对不同时间段的矿山地质变化进行详细地研究和分析；此外，提高了矿山开采活动的安全性。开展矿山地质测绘工作时，要做好前期的控制测量工作，有效地控制矿山测绘技术精确度，3D激光扫描技术作为一种新型快速测绘技术，要求在地质测量过程中遵循“总体到部分、点成网”从的原则，测量矿山控制点采取水准地质测量和三角地质测量的方式，并利用GPS系统进行定位。构建矿山地质数据系统是测绘技术开展的首要工作，其结合计算机技术的储存、计算和管理信息数据的功能，并建立完善的矿山地质信息数据库，为企业的矿山勘探工作提高了良好的理论参考。

2.2现场测量的各环节应用

按照不同的环节，其具体应用模式如下：

第一，在标靶设定阶段的应用。标靶的主要功能是确定不同测量操作间相对为之的固定，以满足单设备多角度的测量需求。在实际的设置过程中要根据不同标靶的类型（球形及平面型）来进行具体的区分。其中平面型标靶要保障识别面对测量点位的面相关系，球形标靶则需要保障其反光面的清洁。另一方面，标靶之间要完成统一设置，并形成距离差、高程差等相关要求，同时考量标靶位置对于后续扫描的贡献率。

第二，在测站设定阶段的应用。基站的设定是保障多角度测绘的基础，在实际的测量过程中首个测站应该以设备为基准，确定位置点位后保障其对于其他标靶清晰可见，同时保障其对于矿区的可见覆盖面积达到最大。第三，在参数设定阶段的应用。参数的设定要保障后续数据的可识别性，具体要包括工程名、存储位置等基础信息，同时也要包括了扫描范围、分辨率等技术参数。另外值得注意的是要对不同的靶位进行区别标号，以便后续的相关分析开展。

第四，在实际测量阶段的应用。在实际的测量过程中一是要保障不同标靶位置的顺序进行；二是按照整平扫描（扫描密度25mm-30m）、扩展扫描（75mm-300m）的基本顺序按序进行。不同阶段的具体扫描时间与具体的设备类型与属性相关，一般情况下以设备的提示音为准。在经过上述两次扫描后，该点位的扫描工作已经完成，将扫描设备移到下一个表达点位，并设置该扫描点的标靶。重复上述过程，直至全部扫描均已完成。

2.3管理矿山信息系统

矿山信息系统中收集的大量地质资源信息数据、矿山周围环境信息等，对于矿山开采人员进行开采活动有着很大的帮助，同时也是矿山开发管理的理论依据。测绘地理信息系统将矿山的信息数据系统地整合起来，并建立一个完整的地质信息数据库，并利用此数据库对矿山信息数据进行管理，帮助矿山勘探人员和开采人员实时地了解和分析地质信息数据；同时掌握矿山在开采活动中的地质信息数据的变化状态，保证勘探人员测量矿山的准确性和开采人员的人身安全。

2.4建立矿山数据系统

矿山地质信息数据系统，即为一种对于矿山地址信息进行3D数据化、视觉化、多元化的信息数据系统，它可以利用计算机和绘制图形技术对矿山地质信息显示在电脑屏幕上。矿山地质信息数据系统在工作人员测量矿山地质工作中，可以提高工作人员的工作效率，使得勘查人员进行矿山地质的勘查、开发和管理，有效地实现对矿山地质信息的测量。虽然此信息系统有着很大的实际意义，但是仍处于初级阶段，建立多维矿山地质数据模型仍不够完善；但是其在矿山地质信息的测量中已经得到了广泛应用，例如矿井中矿产资源的开采、矿床开发设计、矿山运输通道的建设等，矿山地质信息系统起到了至关重要的作用。

2.5建立矿山测量分析库

测绘地理信息系统有助于帮助开采人员建立相关的矿山地质信息测量分析库，其中有大量的图像信息材料，包含地质基本图像、卫星拍摄的地质图像、正摄影图像等，使得开采人员方便快捷地选取和储存矿山地质信息资料。其可以根据不同的矿山地质信息数据而使用不同的整理方法，并采用不同的坐标及储存信息格式处理不同的矿山地质图像。在矿山信息数据材料的整理和分析过程中，能审核矿山地质开发的效益、整理软件的互容性及图像资料自身的性质，进而绘制出矿山地质信息的测量标准。

3.3D矿山地形测量技术的后台应用

3D激光测量技术按照应用的不同阶段大致可以分为现场测量环节与后台数据处理环节，现场采集到的数据仅为单点的海量数据，如果要形成有效的后续应用，需要将其整合为统一的3D图像与信息包，在具体的后台应用层面大致分为如下几个方面：

3.1数据配准

扫描所活动的数据仅为平面数据，且由于平面遮挡等原理无法通过单次测量活动全部的立体数据。这也是上文现场测量中需要设立标靶，并逐次测量的根本原因。而多次活动的不同数据在后续的应用中需要进行配准，才能够形成有效的3D区域图像。在具体的配准过程中，在Real－words软件中标记标靶的测量数据进行对应后，后续的数据配准则由系统自动完成拼接。在该系统下拼接的进准度一般可以控制在1cm以内，且拼接的自动计算多有计算机完成，客观上降低了相关工作人员的工作量。

3.2点云去噪

在数据配准过程后系统已经获得了完整的矿区3D图像，而下一步则需要对图像中存在的“噪点”进行修正去去除。在实际的操作过程中按照噪点的不同形成原因予以不同的处置方案，具体分为如下两种：一是由于外部环境的扰动而产生的噪点，如测量区域内的灰尘，矿区内车辆、设备以及人员的走动等对测量结果产生了一定的遮挡。此种原因下所产生的噪点可以在计算机上人为识别，故而直接删除相关的点位数据便可以达到去噪的目的；二是由于设备自身所产生的噪点，信息在传输、激光设备在获取图像的过程中必不可少的会存在一定的偏移，如信息电路噪声，激光滤镜噪声等。针对此类原因所产生的造成噪声则需要采用滤波的方式分析噪声的具体波形来予以科学区分，具体而言大致分为中值滤波、高斯滤波以及均值等三种模式，不同模式所形成效果以及针对的噪声种类的准确性存在一定的差异，这就需要实际的测量人员在软件操作过程中来不断的进行操作与修订，从而找到最佳的去噪方案。

3.3空洞修补

在实际的测量数据处理过程中会存在一定的“黑洞”，即数据信息没有有效采集的位点。针对此种问题可以采取实地测量、点云插入等方式来进行修补。所谓的实地测量主要是指针对空洞数据所产生的位点，利用传统的扫描设备对其位点信息进行测量，后经过坐标的转换将这一数据整合到3D测量系统体系中去。而点云插入则是采用一种“平滑过渡”的方式采用周边区域系统均值对对改位点的空白数据进行补充，过程相对简单但是准确性不高。常常适用于面积极小，重要性不高的位点补充操作。

4.结束语

3D激光扫描的矿山地形测量在一定程度上得到了应用，但是针对其原理，应用细节以及注意事项等方面的研究相对薄弱。本文基于此在系统分析3D激光扫描的原理基础上，分析了3D激光扫描技术在矿山地形测量中的技术应用，希望通过本文的研究能够为后续的相关工作提供必要基础。

参考文献：

[1]胡磊，彭劲松，叶波，等.3D激光扫描技术在地质灾害应急测绘中的应用[J].测绘通报，2017，45（9）：154-155.

[2]彭昊，徐敬海，倪绍强.地面3D激光扫描技术在变电站精细测量中的应用[J].测绘通报，2017，69（12）：14-15.