趙新華 曹繼如

摘要：激光掃描技術是一門新興的測繪技術，當前已經在很多領域中都得到了廣泛的應用。三維激光掃描技術指的是通過目標物體表面三維坐標的獲取進行完整、高精度的目標物體原貌重建，通過原始測量數(shù)據(jù)的快速獲取實現(xiàn)直接的實物逆向三維數(shù)據(jù)采集的模型重構技術。

關鍵詞：三維激光掃描技術；應用研究

1 應用背景

礦產資源的大規(guī)模開發(fā)為國民經濟的發(fā)展曾做出過重大貢獻，但在礦產資源開發(fā)利用的同時，因資源枯竭和政策性調整等原因，也形成了一定數(shù)量的廢棄礦井，這些廢棄礦井已對地質環(huán)境造成不同程度的破壞，對當?shù)厝嗣袢罕娚敭a安全造成了較大的威脅。為了做好廢棄礦井治理工作，切實保障人民群眾生命財產安全，2008年7月，國土資源部、發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、安全生產監(jiān)督管理局聯(lián)合印發(fā)了《關于加強廢棄礦井治理工作的通知》（國土資發(fā)[2008]154號），要求各?。▍^(qū)、市）開展廢棄礦井調查、編制廢棄礦井治理方案，做好廢棄礦井監(jiān)管工作。

長期的開采和廢棄，造成了廢棄礦井情況數(shù)量多，分布廣，對禹州市生態(tài)環(huán)境的影響很大，為了系統(tǒng)地深入研究地質環(huán)境綜合整治信息模型，用無人機遙感監(jiān)測、用三維激光掃描技術對廢棄礦井開展數(shù)字三維信息模型的建立，開發(fā)綜合整治三維可視化技術系統(tǒng)，對礦山修復與土地整理進行關鍵技術研究。

目前，三維地形可視化技術在土地規(guī)劃領域普遍運用，但大部分側重于單純的三維地形顯示及三維地形表面分析等，而對于規(guī)劃成果基于三維地形環(huán)境下的規(guī)劃圖與動態(tài)統(tǒng)計圖表綜合成果的表達還鮮有研究。本文以土地整治規(guī)劃成果表達的方式為例，充分利用三維地理信息軟件平臺，通過三維建模技術及地理信息的可視化表示功能，研究基于地形圖、遙感影像及統(tǒng)計數(shù)據(jù)一體化的三維可視化地圖表達方式，為規(guī)劃成果匯報與展示提供有效的技術支持。本項目基于三維地理信息平臺構建地形三維可視化模型，然后導出二維圖，疊加到矢量圖層上，再基于圖斑屬性生成屬性表格，并動態(tài)標注在相應的圖斑上。從而實現(xiàn)三維地形環(huán)境與動態(tài)統(tǒng)計圖表的綜合成果表達。本項目基于三維設計軟件所建立的多維可視化模型，非常適合地質環(huán)境的表達與展示，彌補了傳統(tǒng)的二維和三維可視化的局限性。

因此，利用無人機技術、三維激光技術及計算機技術構建“地質環(huán)境綜合整治三維設計與可視化監(jiān)管信息平臺”（后簡稱為“監(jiān)管信息平臺”）勢在必行。項目將利用正射影像、dem構建三維信息平臺，利用三維激光掃描技術進行現(xiàn)狀固定，將三維地質模型、三維規(guī)劃模型集成到三維信息平臺，加強對地質環(huán)境綜合監(jiān)管，促進并輔助的地質生態(tài)修復。

2 國內外研究現(xiàn)狀、水平及發(fā)展趨勢

國內對此方面的研究，例如三維數(shù)字礦山綜合監(jiān)控系統(tǒng)建立在計算機圖形學、多媒體、人工智能、傳感器技術、網絡通信技術、GIS技術、三維虛擬現(xiàn)實技術、實時數(shù)據(jù)庫技術等基礎上，由計算機網絡管理的管控一體化系統(tǒng)，它綜合考慮生產、經營、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使企業(yè)實現(xiàn)整體協(xié)調優(yōu)化，在保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提下，達到提高其整體效益、市場競爭力和適應能力的目的。

3 關鍵技術問題

1、利用三維激光掃描技術快速建立廢棄礦井的三維信息模型體系。

激光掃描技術由于具有獲取信息量大、精度高、全數(shù)字化、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，獲得了迅速發(fā)展，在基礎測繪、工程測量、變形監(jiān)測等領域開始得到廣泛的應用。三維激光掃描儀已經成為測繪儀器發(fā)展的重要方向。拓展三維激光掃描儀的應用范圍，采用三維激光掃描儀提高現(xiàn)有測量手段的能力和精度成為測量領域的重要研究內容。利用三維激光掃描技術通過對點云數(shù)據(jù)的快速提取，快速建立廢棄礦井的三維信息模型。

2、利用無人機遙感監(jiān)測技術，對廢棄礦井進行實時監(jiān)測和三維可視化全過程監(jiān)管。

基于三維可視化信息平臺，實現(xiàn)對不同時期影像的不同對比分析和監(jiān)管。

全面的矢量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的無縫集成。

3、利用三維規(guī)劃設計技術，實現(xiàn)對未來廢棄礦井綜合整治后的效果可視化和信息化管理。

實現(xiàn)二維平面圖向三維空間的快速轉化。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表的動態(tài)關聯(lián)和自動更新，極大提高優(yōu)化設計效率。

在統(tǒng)一的設計平臺上完成廢棄礦井綜合整治各個環(huán)節(jié)的全部工作。

實現(xiàn)三維地形曲面設計：自然等高線的定義和編輯功能、自動識別和轉換圖上的標高文本數(shù)據(jù)、多種曲面生成方式，如特征線、等高線、DEM、點文件、離散點、塊等圖形對象、以快速繪制任意地形斷面圖、地形曲面的三維分析功能，包括高程分析、等高線分析、坡度分析、隨時查看地形曲面的三維效果、用戶可以直接對設計曲面和自然曲面進行編輯、可以對高程有問題的數(shù)據(jù)進行智能處理，實現(xiàn)自動隔離，以免干擾后續(xù)處理、曲面高程和坡度的自動標注、曲面模型和地形數(shù)據(jù)以及標注信息的動態(tài)關聯(lián)、自動更新、用戶可以自定義曲面的二維和三維顯示樣式。

4、歷史數(shù)據(jù)自動對比分析

統(tǒng)計分析是對歷史數(shù)據(jù)的回放及統(tǒng)計，但平臺對歷史數(shù)據(jù)的回放及統(tǒng)計的展現(xiàn)方式為動態(tài)的，是根據(jù)時間軸來反映數(shù)據(jù)變化趨勢的動態(tài)分析。

土方量計算的歷史統(tǒng)計分析和遙感影像監(jiān)控數(shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計分析等。

4 實施內容

4.1基礎三維地理信息平臺的開發(fā)：

3D地形可視化功能，同時還能夠在三維場景上創(chuàng)建和編輯二維文本、圖片、矢量數(shù)據(jù)和三維建筑模型，從標準GIS文件和空間數(shù)據(jù)庫中讀取各種地形疊加所需要的信息，如文本、標注、圖素、2D和3D實體，甚至動畫。有效整合多種數(shù)據(jù)類型，創(chuàng)建三維交互式應用系統(tǒng)。

通過疊加航片、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型以及各種矢量地理數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量3D地形數(shù)據(jù)庫。支持多種數(shù)據(jù)格式，能夠實現(xiàn)不同分辨率、不同大小數(shù)據(jù)的融合、投影變換、以及數(shù)據(jù)剪裁，從而制作任意分辨率真實質感三維場景，構建最終的海量地形數(shù)據(jù)庫。

4.2廢棄礦井三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取：

利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，開發(fā)快速點云數(shù)據(jù)提取技術，自動建立三維信息模型，并直接入庫到三維平臺。

4.3各類數(shù)據(jù)庫集成建設

收集各類數(shù)據(jù)，包括廢棄礦信息、地圖、影像、地名、土地利用、土地規(guī)劃等信息，集成到三維信息平臺上。

4.4廢棄礦井綜合整治三維設計與可視化監(jiān)管信息平臺建設。

建立在計算機圖形學、多媒體、人工智能、傳感器技術、網絡通信技術、GIS技術、三維虛擬現(xiàn)實技術、實時數(shù)據(jù)庫技術等基礎上，由計算機網絡管理的三維可視化監(jiān)管一體化系統(tǒng)，它綜合考慮規(guī)劃設計、施工、監(jiān)督、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使系統(tǒng)實現(xiàn)整體協(xié)調優(yōu)化。利用虛擬現(xiàn)實技術，在三維平臺上構建虛擬廢棄礦井的三維信息和設計規(guī)劃情況，實現(xiàn)對信息的集成和管理，通過對各類基礎數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、設備監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、更新、維護和展示，為建設禹州市生態(tài)環(huán)境和土地綜合利用提供強有力的信息支撐和保障。

5 研究意義

5.1 監(jiān)管信息平臺建設是綜合監(jiān)管全市廢棄礦井信息的重要工具

禹州市礦產資源豐富，分布面積廣，監(jiān)管信息平臺真實、及時、全面的反映禹州市各類廢棄礦井及礦山的分布及詳細信息，是從科學的角度分析、研究和展示廢棄礦井信息，包括地面信息及地下巷道信息，是綜合監(jiān)管全市廢棄礦井信息的重要工具。

參考文獻

[1]邱俊玲，夏慶霖，姚凌青，袁兆憲，史超. 基于三維激光掃描技術的礦山地質建模與應用[J].地球科學（中國地質大學學報），2012，06：1209-1216.