郭 興，潘純建，楊彥梅，萬保峰，孫道俊

( 云南省地礦測繪院，昆明 云南 650218)

0 引言

地面三維激光掃描測量技術(shù)是繼GPS 技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)突破，它使測繪數(shù)據(jù)的獲取與處理方法，測繪行業(yè)的服務(wù)水平等進(jìn)入了新的發(fā)展階段［1］。三維激光測量為非接觸式測量，具有數(shù)據(jù)獲取速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)密度大，數(shù)據(jù)精度高，安全性高等特點(diǎn)，這使得三維激光測量系統(tǒng)在很多工程應(yīng)用中，具有常規(guī)測量技術(shù)所不具備的巨大優(yōu)勢［2］。為此，本文以Riegl VZ-1000 三維激光測量技術(shù)在大型露天礦山體積計(jì)算中的應(yīng)用為例，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。

1 Riegl 三維激光測量系統(tǒng)

1．1 技術(shù)特點(diǎn)

Riegl VZ-1000 三維激光測量系統(tǒng)采用非接觸式快速獲取數(shù)據(jù)的脈沖掃描機(jī)制原理，最高掃描速度為300 000 點(diǎn)/s，該激光掃描測量系統(tǒng)最小的角分辨率為0．000 5°(1．8″)，在10 m的距離內(nèi)，激光點(diǎn)密度可達(dá)0．1 mm，該儀器最遠(yuǎn)掃描距離為1．4 km，可在47 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°(水平)×(30° -130°)(垂直)全景粗略掃描，配合數(shù)碼全景照相機(jī)，可以獲取掃描點(diǎn)云的紋理信息。該儀器具有獨(dú)特的多回波功能，配合內(nèi)業(yè)處理軟件，可以基本實(shí)現(xiàn)植被和非地面點(diǎn)地物的自動(dòng)去除，在有植被覆蓋及非地面點(diǎn)地物較多區(qū)域的測量數(shù)據(jù)的獲取方面，該功能具有明顯優(yōu)勢。

1．2 系統(tǒng)組成及原理

Riegl VZ-1000 三維激光測量系統(tǒng)的主要部件包括:激光掃描儀、外置數(shù)碼全景照相機(jī)、專用便攜電池和控制器(便攜式計(jì)算機(jī))等。

三維激光掃描測量技術(shù)的主要特點(diǎn)是集成了激光測距系統(tǒng)和激光測角系統(tǒng)，其工作原理是通過儀器內(nèi)部的激光脈沖二極管發(fā)射激光脈沖，射向被測物體表面并產(chǎn)生反射，該反射脈沖由掃描儀內(nèi)的探測裝置接收并記錄，可以得到同一激光束發(fā)射和接收時(shí)刻的時(shí)間差T，由此可以計(jì)算出掃描點(diǎn)P 到儀器中心的斜距S，同時(shí)也可以獲取此激光束的水平方向角度α 和垂直方向角度θ，由以上數(shù)據(jù)即可自動(dòng)計(jì)算出掃描點(diǎn)的相對(duì)位置。

掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)的計(jì)算原理即極坐標(biāo)法。三維激光掃描儀有著自身測量坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1 所示，其坐標(biāo)原點(diǎn)為掃描儀的激光脈沖發(fā)射中心，Z 軸為儀器的豎軸，Y 軸為掃描默認(rèn)起始方位，X 軸與Y，Z 軸垂直并構(gòu)成空間直角坐標(biāo)系(右手坐標(biāo)系)，通過這種關(guān)系根據(jù)點(diǎn)空間直角坐標(biāo)的計(jì)算原理即可計(jì)算出以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的掃描點(diǎn)P 的三維坐標(biāo)(x，y，z)［3］，即:

式中:S 為測距，利用激光發(fā)射和接收之間的時(shí)間延遲T 來計(jì)算，其計(jì)算公式為:

式中:C0為光速。

圖1 掃描儀三維坐標(biāo)計(jì)算原理示意圖Fig．1 Calculation principle schematic diagram of 3D coordinate for scanners

2 應(yīng)用實(shí)例

以云南某測區(qū)為例，該測區(qū)為某大型露天開采礦山，采用環(huán)形階梯式開采，采剝區(qū)地勢陡峭，面積大，部分采剝面較為破碎，施工車輛來往頻繁，利用常規(guī)測量方法施測往往需要投入大量的人力，而且需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，并且在人員難以到達(dá)，地形破碎的地方想要通過常規(guī)測量方法獲取較為均勻的數(shù)據(jù)十分困難，而且還存在人員和設(shè)備的安全問題。

2．1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理

本次外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用的設(shè)備為奧地利生產(chǎn)的Riegl VZ-1000 三維激光測量系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)處理采用配套的數(shù)據(jù)處理軟件Riscan PRO(V1．7．9)，為了與傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)(采用礦區(qū)坐標(biāo)系)對(duì)比，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)由掃描儀自身測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為礦區(qū)坐標(biāo)系，掃描儀自身測量坐標(biāo)系與礦區(qū)坐標(biāo)系可以通過設(shè)置在控制點(diǎn)上的反射標(biāo)靶聯(lián)系起來，利用反射標(biāo)靶可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、拼接以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的檢核。架設(shè)標(biāo)靶的控制點(diǎn)坐標(biāo)使用常規(guī)方法測量。

2．1．1 數(shù)據(jù)獲取

為測算該露天礦山一個(gè)月的采剝土石方量，本次實(shí)驗(yàn)分別于相鄰兩個(gè)月的同一時(shí)點(diǎn)，對(duì)該礦山的采剝面進(jìn)行了兩次掃描作業(yè)，考慮到測區(qū)的地形條件，為了盡量減少掃描盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采剝面進(jìn)行全覆蓋掃描，兩次掃描作業(yè)均沿著掃描視野較好的采剝面邊緣設(shè)置測站，每次掃描作業(yè)均設(shè)置5 個(gè)測站，并在測站周圍布設(shè)了定向標(biāo)靶和檢核標(biāo)靶，每站掃描時(shí)間約15 min，掃描采剝面寬約為840 m，長約1 430 m，面積約為1．2 km2。為了同常規(guī)測量方法進(jìn)行對(duì)比，在每次進(jìn)行掃描作業(yè)的同時(shí)，也對(duì)該采剝面進(jìn)行了常規(guī)測量，且為了避免開采施工影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測量期間該采剝面停止開采。

2．1．2 點(diǎn)云拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于5 個(gè)測站所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均是以掃描儀自身為坐標(biāo)原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，即掃描儀自身測量坐標(biāo)系，5 個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)是互不相關(guān)聯(lián)的，因此掃描數(shù)據(jù)采集完畢后，還需要通過Riscan PRO 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接可以根據(jù)外業(yè)測量方法的不同分別采用標(biāo)靶控制點(diǎn)法(可以任意設(shè)置測站，每個(gè)測站需要至少3 個(gè)標(biāo)靶)，測站后視標(biāo)靶法(測站點(diǎn)需架設(shè)在控制點(diǎn)上，每個(gè)測站需要至少2 個(gè)標(biāo)靶，其中1 個(gè)用來定向，另外一個(gè)用來檢核)，根據(jù)重疊點(diǎn)云進(jìn)行手動(dòng)拼接的方法(測站點(diǎn)需架設(shè)在控制點(diǎn)上，無需標(biāo)靶)等3 種方法進(jìn)行拼接。結(jié)合測區(qū)的實(shí)際情況，本次作業(yè)采用測站后視標(biāo)靶法進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，拼接時(shí)導(dǎo)入已知的控制點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完畢，5 個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)亦已轉(zhuǎn)換到礦區(qū)坐標(biāo)系中。每個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，可以由檢核標(biāo)靶進(jìn)行檢驗(yàn)。

點(diǎn)云拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差主要取決于測站點(diǎn)和標(biāo)靶點(diǎn)的定位精度，拼接轉(zhuǎn)換完成后，經(jīng)檢核標(biāo)靶檢驗(yàn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位誤差和高程誤差均能滿足測量精度要求。

2．1．3 數(shù)據(jù)后處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)刪除，非地面點(diǎn)地物(如植被、構(gòu)筑物、車輛、浮塵等)過濾，數(shù)據(jù)重采樣、賦色等處理，得到最終的礦山全景點(diǎn)云，如圖2 所示。處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)為分布均勻的地表點(diǎn)，以此作為建模點(diǎn)，進(jìn)行礦山三維建模，生成三角網(wǎng)，并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行平滑、補(bǔ)洞、細(xì)分、曲面擬合等處理后可以得到完整的礦山數(shù)字高程模型(DEM)。其模型效果，如圖3 所示。

2．2 土石方量計(jì)算及結(jié)果分析

將相鄰兩個(gè)月兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行上述數(shù)據(jù)處理后，可以分別得到兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)字高程模型(DEM)，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Riscan PRO 將兩次模型疊加，即可分別依據(jù)三角網(wǎng)算法和方格網(wǎng)算法［4］，計(jì)算出該露天礦山在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的采剝方量，同時(shí)可以建立直觀的挖方量分布示意模型和填方量分布示意模型。為了驗(yàn)證三維激光測量數(shù)據(jù)的可靠性，以同期常規(guī)測量數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果為參照，視其為真值，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果與其比較。采用三角網(wǎng)算法時(shí)，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。采用方格網(wǎng)算法時(shí)，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。為滿足保密需要，表1、表2 中挖方量和采剝量的前3 位數(shù)、較差的前1 位數(shù)均以* 號(hào)代替。

圖2 采礦區(qū)全景點(diǎn)云Fig．2 The panoramic point clouds in the mining area

圖3 采礦區(qū)DEM 模型Fig．3 DEM model in the mining area

表1 三角網(wǎng)算法計(jì)算結(jié)果Tab．1 The results calculated by triangulation algorithm

表2 方格網(wǎng)算法計(jì)算結(jié)果Tab．2 The results calculated by grid algorithm

由表1 可知，采用三角網(wǎng)算法時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)測量計(jì)算結(jié)果對(duì)比，相對(duì)誤差為0．92%。由表2 可知，采用方格網(wǎng)算法時(shí)，方格網(wǎng)規(guī)格分別為10 m ×10 m、5 m ×5 m和1 m ×1 m時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)測量計(jì)算結(jié)果對(duì)比，相對(duì)誤差分別為0．32%、0．31%和0．43%，即無論采用那種計(jì)算方法，點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)測量計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差均小于1%，而且均是點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果偏小，這可以與點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集密度高且均勻，依此建立的模型更接近真實(shí)地表，計(jì)算結(jié)果更接近真值的理論互相驗(yàn)證。由此可以證實(shí)，三維激光測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是可靠的，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn)。

通過本次實(shí)例應(yīng)用對(duì)比，可以看出三維激光測量系統(tǒng)在露天礦山土石方量測量中的應(yīng)用有著常規(guī)測量無法比擬的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，具體如表3 所示。

表3 三維激光掃描測量技術(shù)與常規(guī)測量技術(shù)對(duì)比結(jié)果Tab．3 Comparison of 3D laser scanning measuremert technology with traditional measurement technology

3 結(jié)束語

本次應(yīng)用研究表明，三維激光掃描測量技術(shù)特別適宜在地形較為破碎、陡峭，高差較大，植被較少的露天礦山開采區(qū)域作業(yè)，可以解決危險(xiǎn)目標(biāo)、復(fù)雜環(huán)境及人員難以到達(dá)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)采集問題，大幅度提高工作效率，減少外業(yè)工作量，減輕測量技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，利用配套軟件，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)能快速建立礦山數(shù)字高程模型模型(DEM)，并進(jìn)行土石方量的計(jì)算，其測量精度完全能滿足露天礦山土石方測量的要求。

此次的實(shí)踐應(yīng)用研究，得到了云南黃金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，特別是集團(tuán)公司下屬的測繪所的大力支持和幫助，筆者在此謹(jǐn)表感謝!

［1］ 徐進(jìn)軍，張民偉． 地面3 維激光掃描儀:現(xiàn)狀與發(fā)展［J］． 測繪通報(bào)，2007(1):47 -50．

［2］ 毛方儒，王磊．三維激光掃描測量技術(shù)［J］． 宇航計(jì)測技術(shù)，2005，25(2):1 -6．

［3］ 彭維吉，李孝雁，黃颯．基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測繪［J］．測繪通報(bào)，2013(3):70 -72．

［4］ 蔣功旺．工程土方量DEM 與方格網(wǎng)計(jì)算精度分析［J］． 建材與裝飾:下旬刊，2008(4):405 -406．