穆嘉琳，李 靖，李文成

（1.北京市昌平區(qū)園林綠化局，北京 102200；2.中勘天成（北京）科技有限公司，北京 100195）

礦產(chǎn)資源推動人類社會發(fā)展的同時，破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[1]，影響了地質(zhì)環(huán)境，產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境污染[2]。首先，采礦過程形成大量的開采面、危巖、渣堆，破壞了礦區(qū)原始植被，導致地表裸露，產(chǎn)生荒漠化，造成揚塵污染，滑坡泥石流等地質(zhì)災害[3]。其次動、植物生存環(huán)境被破壞，加劇了對動、植物的棲息地干擾，使廢棄礦山植物和動物喪失多樣性[2]。最后，還會通過水污染、土壤污染以及不同程度的固體污染，逐步擴大污染區(qū)域。

三維激光掃描技術憑借采集快、密度大、精度高、非接觸和范圍廣等優(yōu)點[4]，彌補了傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)獲取及計算方面的缺點，在測樹因子調(diào)查、礦山表面積計算、礦山系統(tǒng)滑坡體、危巖體等隱患分析以及結(jié)構安全性評估防災減災應用中得到了很好的效果。被越來越多的應用于礦山修復中。三維激光掃描技術利用激光測距的原理，利用脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距離目標的斜距，以及記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標，同時記錄激光點的反射強度值，實現(xiàn)全自動陣列式高速、實時掃描。本文以南口鎮(zhèn)居庸關村、花園分區(qū)礦山修復治理項目為例，介紹基于三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，應用于廢棄礦山生態(tài)修復三維建模和表面積核算、危巖體等隱患分析的方法。

1 工程概況

修復區(qū)位于北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)居庸關村、花園分區(qū)，位處燕京八景之一的居庸疊翠范圍內(nèi)，北側(cè)緊鄰居庸關長城風景區(qū)，西鄰G6京藏高速公路和京包鐵路線，京張高鐵在本段北側(cè)穿過，是南口隧道和居庸關隧道銜接之處，中心地理坐標為東經(jīng)116°05′55.70″，北緯40°16′53.85″，修復區(qū)為一處廢棄石灰礦，面積為570.0 畝。修復區(qū)內(nèi)邊坡角度在70°左右，最大坡度80～90°。為了更加深入了解勘查區(qū)地形，使用Trimble TX8 三維激光掃描儀進行了地面架站掃描；使用Trimble RealWork 點云處理平臺進行了測站拼接與坐標轉(zhuǎn)換；使用cloudcompare 軟件進行了地面點云的提?。皇褂胹urfer 軟件進行了數(shù)字高程模型的制作；使用Trimble Businesscenter 和南方CASS 等軟件進行了地形圖的生產(chǎn)，為其后期裸露巖壁，危巖等生態(tài)治理提供參考資料。

2 三維激光掃描技術的特點

2.1 強化數(shù)據(jù)采集精度，高效完成測繪工作

三維激光掃描技術的應用，能夠在很大程度上降低誤差現(xiàn)象的出現(xiàn)，極大地保障了礦山數(shù)據(jù)采集過程相關信息的質(zhì)量與精確度，在很大程度上提高了三維模型建立的便利性。同時三維激光掃描技術在測量之前的準備工作也相對簡便，對周圍環(huán)境的要求并不苛刻，測量時可以實現(xiàn)自動化測量，獲取被測對象的信息時間周期短，減少了傳統(tǒng)人工操作與收集過程的工作量，確保更加便利的獲取到被測對象的相關信息，提高測繪工作效率與質(zhì)量。

2.2 構建三維模型，量化礦山系統(tǒng)隱患

通過高速激光掃描測量方法，三維激光掃描技術可以大面積、高分辨率、快速地獲取被測對象表面的三維坐標，并通過采用Canny 算子利用Matlab 編程語言等計算機內(nèi)業(yè)處理，提取獲取危險源的三維實景數(shù)據(jù)，核算裸露山坡表面積，量化危巖體表面裂縫特征線，為其后期危巖體的形變分析，裸露巖壁、危巖體的生態(tài)治理方法的選擇及預算提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，極大減少了人工測量所帶來的困難與不便。

2.3 獲取樹木的立體模型,提取精準測樹因子

三維激光掃描技術在森林資源調(diào)查、林分結(jié)構研究、單株立木三維建模等方面應用潛力巨大。利用三維激光掃描技術可以無損傷、高效、精準監(jiān)測立木材積,為動態(tài)連續(xù)監(jiān)測疏林立木調(diào)查因子和材積的提供了一種新的思路與方法。

3 三維激光掃描測繪的具體流程

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先工作人員結(jié)合無人機勘察以及人工勘察的方式對礦山自身的地質(zhì)環(huán)境進行觀察，確定掃描儀器觀測位置、掃描次數(shù)、順序、范圍測繪等過程參數(shù)。在對礦山進行掃描時需要注意，首先應盡量避免茂盛高大的樹木遮擋，減少植物對激光的吸收。其次應爭取以較少的站數(shù)來獲取盡可能大的完整的掃描區(qū)域數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)拼接誤差。之后還要注意進行整平對中。

根據(jù)三維激光掃描儀與掃描體之間的距離以及采集的點云數(shù)據(jù)用途，設置粗掃過程中點云間隔，設置掃描角度進。在完成初步掃描之后，還要進行精掃，獲得這些公共點或者標靶點的精確位置。在完成了精掃后，三維激光掃描儀會利用自帶的數(shù)碼相機獲取到掃描區(qū)域的色彩、紋理等特征信息。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理前，應先評估檢測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。其次還需要進行點云去噪，祛除由于礦山植被遮擋造成點云離散的，分布在地表點云上方的，不具有連續(xù)性的以及與周圍鄰近點的高差較大的不必要數(shù)據(jù)，得到后期需要的數(shù)據(jù)。同時還要注意影像的分布、重疊度、對比度、亮度等對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

數(shù)據(jù)處理完后進行測站拼接與坐標轉(zhuǎn)換是一個重要的過程，通過使用Trimble RealWork 點云處理平臺進行拼接與轉(zhuǎn)換能夠有效提高后期處理與測量精度。

之后結(jié)合全球定位系統(tǒng)與激光掃描技術對礦山被測位置的三維點位信息進行測量與獲取，定位礦山廢棄地具體位置，創(chuàng)設礦山廢棄地三維立體模型。

最后工作人員根據(jù)礦山三維立體模型來提高礦山信息與完善豐富數(shù)據(jù)系統(tǒng)同時將礦山測量早期的數(shù)據(jù)信息與實際測量所得的數(shù)據(jù)進行充分的對比，建立相關的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并在后續(xù)的礦山修復過程進行監(jiān)控，確保在最大程度上提高廢棄礦山修復治理效果。

4 結(jié)語

通過三維掃描技術可以有效獲取礦山廢棄地三維信息及地質(zhì)信息，加強礦山廢棄地三整體三維虛擬模型的建立，對于促進三維激光掃描技術應用于礦山修復領域結(jié)構安全性評估防災減災，以及輔助相關人員完成后期礦山修復工作等方面具有現(xiàn)實意義，但同時對于在實際應用過程三維掃描技術的不足還需相關人員在日常的工作中采取有關措施進行消除，只有這樣才能進一步提高工程測量測繪工作的質(zhì)量，進一步推動我國工程測繪施工領域的發(fā)展。