三维激光扫描技术在土石方测量中的应用

三维激光扫描技术在土石方测量中的应用
摘要：随着科学技术的发展，我国的三维激光扫描技术有了很大进展，并在土
石方测量中得到了广泛的应用。

本文分析了三维激光扫描技术的基本工作原理，
总结了三维激光扫描技术在土石方测量中的应用流程以及数据处理步骤，阐述了
三维激光扫描技术获得点云数据是精确可靠的，因此，在土石方量测量中使用该
方法更适用于复杂地形环境的测量工作，可以有效的提高测量效率和测量质量。

关键词：三维激光扫描技术；土石方量；点云数据
引言
三维激光扫描技术，又称实景复制技术，可以完整、准确、快速地重建目标，获取原始测绘数据。

由于点云中的每个三维数据都是直接获取的目标的实际数据，因此后处理的结果可靠度高。

三维激光扫描技术在土石方变形监测中，不仅能够
迅速获取土石方坡体的数字化信息，而且可以直接建立土石方表面的三维立体模型。

1三维激光扫描技术概述
在上世纪90年代中期，三维激光扫描技术开始出现，该技术是一项非常先进的高新技术，是GPS技术之后，又一项新的测绘技术手段，在测量过程中，利用
高速激光扫描技术手段，能够对测量对象展开高分辨率，大面积的快速测量工作，获得测量对象的相关三维坐标数据，能够对空间点位信息展开快速大量测量，为
测量对象三维影像模型构建提供了良好的技术支撑，三维激光扫描技术不仅测量
迅速，而且具有测量精度高，动态实时的效果，测量过程中不用于测量对象进行
接触，自动化水平非常的高，是测量技术领域一次新的技术革命。

通过三维激光
扫描技术对测量物体点云数据获取过程中，可以根据相关数据进行实体三维几何
模型的构建，由于应用对象的不同，点云数据也存在很大不同，利用三维激光扫
描技术处理数据过程当中，所音乐的方法也存在一定差异。

对于点云数据进行处
理而言，主要包括采集数据以及预处理数据，重建几何模型和进行模型可视化。

为了重建模型，首先必须要进行数据采集。

同时，对模型数据进行精确处理之后，点云数据将更加的精准可靠，重建模型过程当中，复杂程度便会得到有效降低，
使重建模型的速度以及精确度得到很好保障，预处理数据过程当中，主要是缩减
点云数据中的滤波，进行点云数据分割，或者配准与融合等。

从建模型过程中主
要包括重建三维模型以及保证模型的平滑性，处理成缺的数据以及简化模型，纹
理映射等工作。

具体应用阶段，需要对该项技术的特点给予充分考虑，并充分分
析建模需求，选择合适的方法与策略来处理相关数据。

在经济社会高速发展背景下，对于土石方安全生产的要求也在逐步提升，过去应用的土石方测量手段，现
已很难满足当前社会发展需求。

将三维技术应用于土石方测量当中，并与现代信
息技术手段充分结合，能够针对地区实际构建相应的信息数据库，或者构建土石
方数字化模型。

基于地质模型与数据库，可以对矿区三维地址数据充分了解和掌握，更好地指导土石方采矿以及安全防护工作，为保障企业安全生产发挥着重要
的作用。

2三维激光扫描技术在土石方测量中的应用
2.1测量主要任务
利用三维激光扫描技术对河北武安市某铁矿采空区塌陷区治理中发挥了巨大
的作用，特别在矿区数字化大比例尺地形图测绘过程中发挥的作用非常巨大，通
过三维数字化技术对矿区采空区塌陷区开展相应监测工作进行数字模型构建，更
好地治理采空区塌陷问题。

2.2点云数据处理
深度划分图像。

按照区域分割方法，将点云图像划分成不同区域，可以提高
点云数据进一步处理和分析的效率。

点云信息的匹配。

点云信息匹配的目的是将
点云坐标转换为绝对坐标（大地坐标系统）。

常用的标识点匹配法流程：首先，
基于动态分割层和空间坐标点距离处理第一副点云标识点并组成层嵌套，其次，
将第二幅点云标识点与第一个幅点云进行匹配。

点云过滤。

扫描仪首先是垂直方
向的线扫描，然后水平转动，再进行垂直方向线扫描，虽然扫描过程是规律有序的，但是获得的依然是较为散乱的点云数据，因此在建模之前需要对点云进行平
滑处理。

此外，对于一些原始点云数据庞大的目标，为了提高工作效率，需要对
点云数据进行简化处理，降低密度。

点云过滤的作用体现在两个方面：1）过滤
噪声点；2）降低点云密度。

点云数据滤波通常有高斯滤波法、平均滤波法和曲
率滤波算法等。

点云数据的精简处理只是减少了数据量，降低其点云密度，但是
对点云数据本身没有做出改变。

点云拼接。

多视点云拼接是点云数据处理的重要
环节，即将不同测站扫描的点云数据通过坐标转换整合到统一的坐标系内，从而
得到一个包含多次扫描点云数据的完整三维模型。

现阶段，点云拼接方式主要采
用使用靶标拼接和ICP算法等方法。

2.3野外数据采集、内业数据处理
通过三维扫描进行模型构建，同时扫描参照点，详细而又全面的对采空区数
据进行获取，同时获取塌陷区以及尾矿库实际情况，并进行相应模型构建。

在该
技术支持下，能够对矿区测量对象空间，实体几何位置数据进行全面获取，同时
还能对点云发射密度值进行获取。

参照点具有很强的反射作用，可以更好的确保
站点拼接以及点云数据的精确度，各个站应当进行四个高强度反射点布设，获取
相应数据之后，通过RealWorks软件对相关数据开展处理工作，并最终形成DEM
模型和生成地形图。

由于各个项目在应用价值与目的上存在很大不同，可以进行
各种形式数据输出，构建DEM模型和生成不同的地形图，分析其利用价值，空
间数据生成之后，为相关工程应用提供有效的参考作用。

3 在土石方变形监测中的优势与不足
三维激光扫描技术作为远距离非接触测量的技术手段，相比较于传统的土石
方监测方法，它实现了由“点”到“面”的突破，极大的提升了监测效率，降低了人
力成本，减少了人为主观因素对监测结果的影响。

并且由于其非接触测量的特性，在针对高陡土石方等不易攀爬或危险的环境中，对比传统手段，它占据了极大的
优势，极大地保障了作业人员的生命安全。

虽然三维激光扫描技术的发展已经较
为成熟，但其在土石方变形监测上依然存在一定的不足，主要表现在以下几个方面：（1）受植被影响较大。

因为三维激光扫描技术获取的是土石方坡面的形态
信息，而激光脉冲无法穿透植被覆盖，导致滤波处理后的点云数据会形成空洞区域。

（2）受地形因素制约较大。

在野外实际作业时，部分土石方无法在其对面
找到合适观测站点，制约了三维激光扫描技术的使用。

（3）受激光功率影响较大。

三维激光扫描仪的激光脉冲功率均在安全功率范围内，导致三维激光扫描仪
的扫描距离受到制约，在部分露天采矿土石方中使用效果不佳。

结语
综上所述，三维激光技术作为新兴技术，得到了产学研界的高度重视，在国
内外的应用发展非常迅猛。

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