三维激光扫描技术在露天矿山测量中的应用

三维激光扫描技术在露天矿山测量中的应用

【摘要】三维激光扫描测量能够在短时间内获取被测物表面三维坐标信息，相对于传统测量方法更加适用于露天矿山测量。本文详细介绍了三维激光扫描的原理以及点云数据处理的方法和误差控制方案，并利用实际矿山测量案例说明三维激光扫描的作业流程以及成果。

【关键词】三维激光扫描；点云配准；露天矿山

1 引言

矿山测量是国家自然资源管理的重要手段，也是矿山动态监管的重要组成部分。然而，由于露天矿山的地形非常复杂，利用RTK或者全站仪等传统技术手段获取矿山的精确三维信息非常困难。很多位置测量人员难以到达，进行地形测量时，地形特征点的分布均匀度和密度往往难以保证，导致计算结果不准确。并且露天采矿区多陡峭地形，不稳定山体等，对于测量人员来说安全隐患较大。全站仪或RTK流动站采集数据都是点采集，测量效率较为低下，难以做到对矿山的动态监管。传统矿山的测量方法的测量成果大多是平面图或表格形式，不能直观反映矿山的实际形态。

三维激光扫描是一种新型的非接触式空间信息测量技术。三维激光扫描技术作为一种快速获取大面积点云数据的测量技术，为矿山测量提供了新的方向。虽然三维激光扫描能够快速获取测量对象的表面三维坐标数据，但是由于矿山地形复杂，测量数据量大，在坐标系匹配、点云数据处理、三维模型建立、三维模型计算等方面需要进一步研究。本文详细论述了三维激光扫描技术的原理以及后续的点云数据处理理论，并结合实际矿山测量的案例检验了测量方案的可行性和精度。

2 三维激光扫描技术

2.1 三维激光扫描测量原理

三维激光扫描技术能够在短时间内获取测量物大量三维数据，并且测量精度较高，因此在近景测量、文物修复、工业设计、变形监测等领域中得到了广泛应用。三维激光扫描系统包括激光测距仪以及引导激光的反射棱镜。激光测距仪通过主动发射激光然后接收被测物体反射的激光对其进行测距。对于每一个扫描点到可以根据所测斜距以及扫描时的水平角计算出扫描点与仪器的三维坐标差，然后根据测站实际的三维坐标反算出扫描点坐标。对于每一次扫描都会产生点云三维坐标，坐标具体表达式为：

三维激光扫描相对于其他测量方式，具体有以下几个方面的优点：（1）测量方式为非接触式，减少了测量人员流动作业，降低了作业安全隐患。（2）测量数据为物体表面点云数据，测量速度快，扫描点密度非常高，保证了作业效率和测

量精度。（3）扫描仪可以和数码相机以及GPS仪器配合使用，使得三维激光扫描技术的应用范围大为扩展。（4）测量数据数字化，能与其他数据格式兼容，可以和三维绘画、CAD等软件对接。

2.2 点云数据数据处理

由三维激光扫描仪获取的点云数据的三维坐标是相对于测站的，因此还需要将其转换到统一的坐标系统中。可以利用GPS技术以及三维激光扫描仪获取坐标系统转换参数。目前的三维激光扫描仪的扫描距离和角度都较为有限，在地形复杂的测量环境中往往需要架设多站进行扫描，而由多站获取的点云数据需要点云配准来获得测量对象完整的三维空间信息。

三维激光扫描仪的测距精度有限，顾及到人员操作误差、不同站点误差、点云配准算法误差、靶心测量误差等，会导致两站之间的点云数据配准出现误差。而多站之间进行点云配准则会积累这些误差，最终导致被测物边缘处三维坐标出现较大误差。因此，对于多站点的点云配准的精度的检核变得十分重要。解决点云配准误差问题的方法主要有：（1）采用传统高精度测量方式如全站仪、GPS 等在测区内均匀布设一些控制点，建立高精度控制网。（2）利用控制网将测区分为更小的区域，每个区域内的控制点数量为4-6个。（3）控制区域内的控制点要均匀分布。控制网精度会直接影响点云配准的精度，因此，建立控制网的测量仪器要保证高精度，控制网需进行严密平差。

3 工程实例

3.1工程概况

本次矿山测量区域位于哈尔乌素露天煤矿，其位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇东部，是国家《“十一五”时期煤炭改革与发展纲要》中确定的国家“十一五”时期重点建设煤矿，也是我国目前设计产能最大的露天煤矿，由中国神华能源股份有限公司出资建设，地表境界东西长9.5千米，南北宽6.25千米，面积为56.2平方公里煤层平均厚度33.28米；可采原煤储量17.3亿吨，设计生产能力为年生产原煤2000万吨，目前已经扩能为3500万吨。

3.2 测量流程

矿山测量所用仪器的有效扫描距离最大为1000m，最小扫描距离为3m，最远距离的斜距测量精度为±10mm，平均测量精度为±5mm，扫描仪的垂直扫描范围为0～80度，水平扫描范围为0～360度。为与传统测量方式进行对比，同时采用GPS-RTK对部分特征点进行测量，比较两种测量方式的结果。

首先根据测区实际踏勘情况制定测量方案，选择若干控制点作为三维激光扫描仪的架设点，划分各个测站的测量面。然后按照测量方案进行点云数据采集，设置仪器的水平、垂直方向扫描的分辨率。数据采集过程中要防止人员走动或其他物体移动遮挡扫描仪。

3.3 数据处理

将野外作业采集到的点云数据导入到处理软件中，在完成坐标系转化以及多测站点云数据配准等操作后，对点云数据进行拼接，获得测区完整的三维数据，可以生成等高线图、DEM图等。图1为经过多测站数据拼接后得到的点云数据图。

从图1以及表1可以看出，三维激光扫描测量相对于传统测量方式，不仅操作简便，获取数据量大，而且采样点分布均匀，测量时间短，能够满足三维地形测量的精度要求。

4结论

本文详细介绍了三维激光扫描测量技术的原理以及在后续点云数据处理中遇到的问题和解决方案。三维激光扫描技术相比于其他测量方式具有无接触、快速高效、测点均匀、数据量大等优点，非常适用于露天矿山测量。并通过实际矿山测量的案例证明了三维激光扫描技术的精度、可靠性。利用三维激光扫描技术获取矿山三维信息，绘制等高线图、DEM图，能够实时、有效的对矿山进行动态管理。

参考文献：

[1]刘昌军，赵雨，叶长锋，等. 基于三维激光扫描技术的矿山地形快速测量的关键技术研究[J]. 测绘通报，2012（06）..

[2]白立飞，潘宝玉，张兰. 三维激光扫描技术在数字矿山领域的应用[J].山东国土资源，2013（08）.