馬旭東，張文君，楊元繼，劉晨陽，申 銳，何宗翰

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.國家遙感中心綿陽科技城分部，四川 綿陽 621010）

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

基于激光測距原理，通過激光射器向被測對象發(fā)出光線，光線抵達物體表面后反射至接收器，由光轉(zhuǎn)換器將反射光線轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號發(fā)送至終端件程序進行譯碼處理，從而獲取并記錄被測物體表面測點的紋理、三維坐標(biāo)值及反射率等信息，在程序中快速建立被測對象三維數(shù)字模型，完成測繪任務(wù)。簡單來講，則是采取激光掃射方式，在三維激光掃描儀與被測對象保持非接觸狀態(tài)下測得物體輪廓集合數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至測繪系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取地面地物、生成等高線等操作，最終輸出特定格式的曲面數(shù)字化模型。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)有著快速性、主動性、數(shù)字化、非接觸性、高精度與高密度等優(yōu)勢，在礦山地質(zhì)測繪項目中，與傳統(tǒng)單點測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在非接觸測量、動態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采樣速率高三方面。其一，在非接觸測量方面，由于礦山地質(zhì)測繪項目的測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，如果采取人工測量方法，需要測繪人員抵達測區(qū)內(nèi)全部區(qū)域，不但加大了測繪工作量，還將面臨著諸多難題。而對三維激光測繪技術(shù)的應(yīng)用，基于技術(shù)非接觸性特征，測繪人員可以與被測對象保持一段距離，操縱激光掃描儀發(fā)射激光回波信號來直接獲取被測對象數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量不受環(huán)境時空約束。其二，在動態(tài)檢測方面，基于通信手段聯(lián)通計算機，三維激光掃描儀即時將所采集的空間點位信息與物體表面紋理信息等發(fā)送至配套程序軟件，同時開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)，在短時間內(nèi)斷面體積測量等礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，使測繪項目具備動態(tài)性、實時性的特征。其三，在數(shù)據(jù)采樣速率方面，采樣速率是單位時間內(nèi)從連續(xù)信號中提取和轉(zhuǎn)換為離散信號的采樣個數(shù)，簡單來講則是單位時間內(nèi)所采集信號樣本數(shù)量，采樣速率越高，則測繪作業(yè)效率與測量精度越高，而三維激光掃描技術(shù)的采樣速率在數(shù)千點/秒至數(shù)十萬點/秒不等，采樣速率遠高于人工測量等傳統(tǒng)測繪技術(shù)。

2 三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用流程

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

在地質(zhì)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，提前做好實地勘察工作，根據(jù)測區(qū)現(xiàn)場情況來布設(shè)一定數(shù)量的測區(qū)站點，合理選擇站點位置，嚴格控制站點數(shù)量，將掃描測站間距保持在50m以內(nèi)，測站數(shù)量控制在5～30個左右，避免因站點位置選擇不當(dāng)與數(shù)量過少而影響到數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性。同時，根據(jù)礦山地質(zhì)測繪項目要求來選擇激光測距方式，常用方式包括脈沖測距法、激光三角法、相位測距法和脈沖-相位式測距法，一般情況下采取脈沖測距法即可，將三維激光掃描儀的采樣點速率保持在數(shù)千點/秒，必要情況下則采取相位測距法，將采樣點速率提升至數(shù)十萬點/秒。隨后，測繪人員在測點搭設(shè)與調(diào)試設(shè)備，按順序依次完成相機調(diào)試、三維激光掃描儀架設(shè)、聯(lián)通計算機、測點參數(shù)設(shè)置，盡可量在高于控制點的區(qū)域架設(shè)三維激光掃描儀。最后，操作三維激光掃描儀，依次開展掃面掃描與細節(jié)掃描作業(yè)，根據(jù)測點分布密度、云集密度與掃描儀和目標(biāo)間距，合理選擇掃面時間長度，在一般情況下將每站掃面掃描時間設(shè)定為12min即可，如果掃描儀和被測目標(biāo)間隔距離較遠，則適當(dāng)延長掃面掃描時間。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，測繪人員使用軟件程序，對所接收的被測物體輪廓集合數(shù)據(jù)執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、植被過濾、多站點調(diào)整、噪聲分隔、三角網(wǎng)與等高線生成、圖像匹配等操作，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入所構(gòu)建目標(biāo)模型中，生成特定格式曲面數(shù)字化模型，完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)。其中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理為，雖然三維激光掃描儀自身具備GPS系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)采集精度有限，僅能做到對大致方向與坐標(biāo)的呈現(xiàn)，需要對測量數(shù)據(jù)加以糾正處理，將其調(diào)整至正確坐標(biāo)。植被過濾處理為，運用全波形數(shù)字處理方法，控制激光射線透過測區(qū)地表植被來獲取地面及地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的輪廓集合數(shù)據(jù)，消除地表植被對測繪成果質(zhì)量造成的影響。多站點調(diào)整為，測繪人員使用RiScan Pro等系列軟件程序，在程序中導(dǎo)入外業(yè)數(shù)據(jù)，對若干圖片加以拼接擬合處理，以此來改善圖片平差效果，解決制圖接邊問題。噪聲分隔處理為，對所采集點云數(shù)據(jù)執(zhí)行去噪處理，消除或分隔數(shù)據(jù)中夾雜的噪點，再將處理后的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)字高程模型。三角網(wǎng)與等高線生成為，使得軟件程序中所生成圖像可以更為清晰、準(zhǔn)確的描述測區(qū)礦山地質(zhì)條件，解決點位分布不均、掃描密度過大、信息混亂等實際存在的問題。而圖像匹配處理為，將各處站點采集的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配處理后導(dǎo)入相同坐標(biāo)系，基于定位系統(tǒng)作用來獲取詳細地質(zhì)信息，便于定量分析、目標(biāo)構(gòu)模、遙感數(shù)據(jù)分析和消除噪音等操作的執(zhí)行。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完畢后，即可編輯礦山地形圖，執(zhí)行空間數(shù)據(jù)編輯、屬性數(shù)據(jù)編輯、空間實體關(guān)系編輯、圖廊整飾、鄰圖接邊、等高線圖形和地面物體圖形匹配等操作，由測繪人員手動修改前期刪除的地形數(shù)據(jù)和缺失等高線，完成測繪任務(wù)。

2.3 測繪成果精度評定

在礦山地質(zhì)測繪項目中，根據(jù)實際應(yīng)用情況來看，受到儀器設(shè)備、人為操作、測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境等多方面因素影響，易產(chǎn)生測量誤差，測繪結(jié)果精度有待提高，這一問題的存在，限制了三維激光掃描技術(shù)的推廣普及，導(dǎo)致部分項目的測繪成果無法真實、準(zhǔn)確反映測區(qū)地質(zhì)條件，缺乏實際參考價值。因此，在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時，必須做好測繪成果精度評定工作，發(fā)現(xiàn)并處理測繪結(jié)果的誤差部分，而精度評定項目包括平面絕對位置、平面相對位置、地形圖地理精度。其一，對平面絕對位置精度的評定，需要采取特征點擬合提取方式，由測繪人員在軟件中執(zhí)行點云切片操作，將切片厚度保持在2cm內(nèi)，再對切片后的點云數(shù)據(jù)執(zhí)行近鄰點檢索擬合地形特征點操作，并使用魯棒迭代算法來剔除擬合錯誤點。其二，對平面相對位置精度的評定，執(zhí)行點云切片操作，對照分析地形圖和點云數(shù)據(jù)當(dāng)中的地物邊長以及地物點間距，在對比結(jié)果基礎(chǔ)上開展中誤差計算，依照計算結(jié)果來判斷平面相對位置精度是否達到項目測繪要求。其三，對地形圖地理精度的評定，對所獲取三維點云數(shù)據(jù)開展人機交互檢查、地形圖地理精度和點云數(shù)據(jù)對比操作，在檢查對比過程中，逐項分析地理要素類型與符號使用偏差等情況是否符合項目標(biāo)準(zhǔn)，從而判定地形圖地理精度，對精度不達標(biāo)部位進行重復(fù)編輯，如變更地理符號。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測繪中的應(yīng)用形式

3.1 車載激光掃描系統(tǒng)

在礦山地質(zhì)測繪項目中，車載激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描技術(shù)和車載移動測量技術(shù)加以組成，有效彌補了三維激光掃描設(shè)備移動不便的技術(shù)短板，使得測繪效率得到明顯提升，可在短時間內(nèi)完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，因而車載激光掃描形式逐漸取代了常規(guī)的3D激光掃描形式。而車載激光掃描系統(tǒng)與常規(guī)三維激光掃描系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，以車輛為測量平臺，在車頂部位安裝三維激光掃描儀、攝像機和固定升降設(shè)備，在礦山地質(zhì)測繪期間，測量人員在系統(tǒng)平臺上實時下達控制指令，用于調(diào)整三維激光掃描設(shè)備及攝像頭的高度與朝向角度，即時將所采集被測對象輪廓集合數(shù)據(jù)與視頻圖像資料上傳至內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，視頻圖像資料起到約束數(shù)字模型、優(yōu)化處理外業(yè)采集成果、控制測量誤差的作用。

此外，對車載激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然可以顯著提升礦山地質(zhì)測繪效率和測量精度，但此類應(yīng)用形式的適用條件較為嚴格，要求測區(qū)現(xiàn)場地勢較為平坦，且因車輛體積所形成的測量盲區(qū)不會明顯影響到測繪成果質(zhì)量，如果未滿足各項應(yīng)用條件，則需要在礦山地質(zhì)測繪項目中采取3D激光掃描儀形式，或是組合應(yīng)用車載激光掃描與3D激光掃描形式。

3.2 3D激光掃描儀

3D激光掃描儀由掃描儀和支架、電源供應(yīng)模塊等配套結(jié)構(gòu)加以組成，在取消反射棱鏡的條件下，通過發(fā)射光線與接收反射光束，將激光分成2束，分別用于照射底片與照射被測對象，從而記錄被測對象表面密集點信息，高效完成掃描操作，準(zhǔn)確獲取各點位三維坐標(biāo)值。與常規(guī)測繪技術(shù)相比，3D激光掃描儀有著可在非接觸條件下獲取目標(biāo)對象數(shù)據(jù)點、使用面測量方式取代單點測量方式、分辨率與數(shù)據(jù)采集效率高、可準(zhǔn)確描述目標(biāo)對象立體結(jié)構(gòu)、測量范圍大、測點分布規(guī)律等優(yōu)勢，且此項技術(shù)的適用范圍較廣，可以在各種測區(qū)環(huán)境中加以應(yīng)用。但是，3D激光掃描儀的操作流程較為繁瑣，如果所架設(shè)3D激光掃描儀未與全部測點保持良好光學(xué)通視條件時，需要拆卸3D激光掃描儀與配套設(shè)備，將其運至其他站點進行安裝、調(diào)試與采集外業(yè)數(shù)據(jù)。因此，測繪單位需要加大對三維激光掃描技術(shù)的研究力度，將車載三維激光掃描儀和機載激光三維雷達探測作為技術(shù)未來發(fā)展方向。例如，在3D激光掃描儀系統(tǒng)基礎(chǔ)上，組合運用GPS系統(tǒng)和INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并在飛行器平臺上搭載高分辨率數(shù)碼相機，使其共同組成光機電一體化的機載激光三維雷達系統(tǒng)，負責(zé)快速采集激光點云數(shù)據(jù)，即時將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理軟件來獲取DOM數(shù)字正射影像信息、DEM數(shù)字高程模型以及DSM數(shù)字表面模型。

4 結(jié)語

綜上所述，為突破傳統(tǒng)測繪技術(shù)的局限弊端，更好的完成礦山地質(zhì)測繪任務(wù)，全面提高測繪質(zhì)量與作業(yè)效率。因此，測繪單位應(yīng)加大對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用力度，深入了解技術(shù)原理、優(yōu)勢與作業(yè)流程，建立起完善的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用體系，以推動我國測繪事業(yè)的健康、穩(wěn)步發(fā)展。