趙晉睿，崔英良

（河北九華勘查測繪有限責任公司，河北 保定 073100）

隨著社會現(xiàn)代化信息化發(fā)展進程的加快，“數(shù)字城市”、“數(shù)字礦山”等理念相應而出，這就對大比例尺地形圖精度等提出了更高要求。如何在較短的周期內(nèi)獲得精度更高的大比例尺地形圖成為建設“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，也是礦山生產(chǎn)建設的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的地形三維數(shù)據(jù)采集以單點采集方式為主，如經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸以面采集為主，如三維激光掃描技術(shù)、無人機航測技術(shù)以及遙感技術(shù)等，提高了數(shù)據(jù)采集效率。

1 相關(guān)概述研究

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)在實際開展作業(yè)中，主要結(jié)合三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)信息，其作為一種新型的現(xiàn)代化測繪手段，在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中發(fā)揮重要的作用效果。通常而言，三維激光掃描儀包括以下幾部分，即電源、內(nèi)置數(shù)碼相機、相關(guān)處理軟件以及激光發(fā)射器等，該技術(shù)的主要原理如下，即由三維激光掃描技術(shù)中激光二極管發(fā)射相應的脈沖信號，這種信號在接觸到待測目標后會形成反射信號，然后被接收透鏡接收目標表面的反射信號后，生成逐一對應的接收信號。在信號發(fā)射到后續(xù)接收的這一段時間里，設三維激光掃描儀與待測目標之間的距離為S，儀器垂直和水平方向的觀測角度分別為θ、φ，此時待測目標P的三維坐標P(x,y,z)，主要計算如下：

由上述公式（1）可以直接計算得出待測區(qū)域內(nèi)任意一點的三維坐標信息數(shù)據(jù)，可見三維激光掃描儀主要通過這一原理對目標區(qū)域?qū)嵤┤婵尚械臏y繪掃描，獲取得到待測區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，最終得到三維坐標信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)大比例尺地形圖的繪制提供有效的數(shù)據(jù)指導。通常而言，三維激光掃描技術(shù)憑借其自身諸多的功能優(yōu)勢，被廣泛運用到金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業(yè)中，詳細流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)流程

1.2 金屬礦山大比例尺地形圖測繪的意義

在金屬礦山資源開發(fā)利用前，一般需要進行科學有效的地質(zhì)勘探作業(yè)，而要想確?？碧阶鳂I(yè)的整體質(zhì)量，必須要通過金屬礦山大比例尺地形圖測繪提供可靠性的數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)資源開發(fā)利用的有效開展奠定堅實基礎(chǔ)。當前金屬礦山大比例尺地形圖測繪中受到多方面因素的干擾和影響，難以為后續(xù)的勘探質(zhì)量水平提供必要保障，所以如何運用先進的技術(shù)工藝，提升大比例尺地形圖測繪水平是當前需要重點解決的難題。隨著科學技術(shù)水平的不斷提升，很多新型的測繪技術(shù)手段由此誕生，其中就包括三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)最大優(yōu)勢是非接觸、多平臺以及減少人工作業(yè)量等，且以逆向三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建出高分辨率的實景影像信息模型，為工作人員開展后續(xù)的分析和決策提供直觀立體的參考依據(jù)。在實際運用該項技術(shù)過程中，通常主要結(jié)合三維掃描儀獲取目標的三維坐標信息，在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)的計算機處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，最終生成三維礦山立體地形圖。對于以往的三維地形數(shù)據(jù)信息采集工作來說，受到技術(shù)手段等方面因素的制約，數(shù)據(jù)采集大都以單點采集為主，如此獲取的三維地形圖一般都是以離散點作為支撐，工作開展中常見的設備儀器包括經(jīng)緯儀、全站儀等，由于單點數(shù)據(jù)采集工作強度比較大，不僅增加了多余的勞動力，而且還大幅延長了測繪周期。而新型三維激光掃描技術(shù)的替代，并且將其與無人機測量技術(shù)等進行融合，可以發(fā)揮出更加理想的作用和效果，提升金屬礦山大比例尺地形圖測繪水平。

2 三維激光掃描技術(shù)在金屬礦山大比例尺地形圖測繪中的應用

2.1 準備工作

在實際結(jié)合三維激光掃描技術(shù)實施金屬礦山測繪前，首先需要做好前期準備工作，包括野外踏勘、資料收集以及方案制定等等，為后續(xù)開展實際大比例尺地形圖測繪奠定基礎(chǔ)。雖然三維激光掃描技術(shù)具備高精度的優(yōu)勢和功能，但是實際當中該技術(shù)的測繪精度會隨著掃描距離的增加而降低，當超出一定標準以后，該技術(shù)所獲取的三維點云數(shù)據(jù)準確性便無法滿足精度要求，給后續(xù)大比例尺地形圖測繪造成很大的困擾。針對于此，在實際開展作業(yè)之前，相關(guān)工作人員一定要明確區(qū)域礦山地形地貌以及其它特征，結(jié)合測繪工程實際，對三維激光掃描儀的掃描半徑參數(shù)進行規(guī)劃設計，確保該技術(shù)采集的三維點云數(shù)據(jù)信息滿足實際的精度要求。不僅如此，為了進一步提升測繪質(zhì)量和水平，在實際利用三維激光掃描技術(shù)開展作業(yè)中，工作人員要嚴格按照技術(shù)規(guī)范執(zhí)行操作，盡可能的降低測繪誤差出現(xiàn)的概率。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描技術(shù)實施數(shù)據(jù)采集和處理，詳細流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在準備工作結(jié)束之后，需要結(jié)合工程實際情況制定行之有效的測繪方案，以此為后續(xù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作的開展提供指導。由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集屬于三維坐標信息的原始測繪數(shù)據(jù)，要想為后續(xù)大比例尺地形圖測繪提供指導和參考，還需要對原始數(shù)據(jù)信息進行處理。對于外業(yè)數(shù)據(jù)采集而言，除了一般意義上的控制數(shù)據(jù)采集精度以外，還需要結(jié)合工程實際情況，對三維激光掃描設備型號、參數(shù)等進行確定，同時結(jié)合方案合理明確三維激光掃描儀的最大掃描距離，為確保數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準確性和可靠性奠定基礎(chǔ)。在某金屬礦山1∶2000大比例尺地形圖測繪作業(yè)中，結(jié)合HDS ScanStation C10型號的三維激光掃描設備實施作業(yè)，結(jié)合當?shù)氐牡匦蔚孛惨约捌渌鼌?shù)信息，最終明確三維激光掃描設備的掃描距離最大為300m。在該工程測繪項目中，為了盡可能的提升大比例尺地形圖測繪效果，相關(guān)工作人員需要結(jié)合踏勘結(jié)果對礦山測區(qū)范圍進行分解，將其劃分為三個子區(qū)塊，一方面是以此降低測繪盲區(qū)以及基站數(shù)量，提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率，另一方面也能顯著降低人力成本的投入，確保經(jīng)濟效益的顯著提升。需要注意的是，在實際進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作當中，在完成每一站三維激光掃描任務指標后，需要及時對掃描數(shù)據(jù)信息準確性進行評價，判斷其是否可以滿足實際的大比例尺地形圖測繪精度要求，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量過關(guān)，便可以開始下一環(huán)節(jié)的測量工作；反之，如果數(shù)據(jù)檢測不合格，需要開展重復性測量和采集工作，直至精準度符合要求即可。

2.2.2 坐標轉(zhuǎn)換與點云數(shù)據(jù)配準

為了在實際開展三維激光掃描作業(yè)中，消除掃描精度受距離參數(shù)影響的因素和問題，工作中需要進行多基站點云數(shù)據(jù)配準以及坐標轉(zhuǎn)換操作，詳細如圖3所示。

圖3 點云數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換

其目的是讓待測礦山區(qū)域的三維坐標信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到單一坐標系統(tǒng)當中，為后續(xù)地形圖生成奠定基礎(chǔ)。通常而言，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的基站數(shù)據(jù)信息大都是設備儀器內(nèi)部的自定義坐標系統(tǒng)，也就是說采集得到的點云數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在很大的差異性。針對于此，在對外業(yè)數(shù)據(jù)信息進行從處理前，需要將差異性的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一整合到單一坐標系統(tǒng)中，在轉(zhuǎn)換過程中為了盡可能的確保精度不受影響和干擾，可以先將區(qū)域范圍內(nèi)其它獨立坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至單一測站的局部坐標系統(tǒng)中，然后結(jié)合相鄰站點間多個同名控制標靶的配準方式，以此達到提升坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果準確性和可靠性目的。對于點云數(shù)據(jù)配準方式來說，其對于點云數(shù)據(jù)整體精準度干擾比較大，通?？梢约毞譃閮煞N形式，即絕對配準和相對配準，前者在實際運用過程中一般是將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測繪方式相結(jié)合，包括全站儀、經(jīng)緯儀等，憑借單點測繪的獨特優(yōu)勢和功能，獲取單一基站的坐標系統(tǒng)以及標靶坐標，實現(xiàn)不同測繪手段對于目標點位坐標絕對化控制，最終完成對于坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換工作；后者主要基于單一站點的局部坐標系統(tǒng)，對其它獨立點云坐標進行統(tǒng)一整合，通常為了確保轉(zhuǎn)換的質(zhì)量和效果，需要確保不同站點之間至少存在三個同名標靶，以實現(xiàn)相應的數(shù)據(jù)配準。在利用該方式進行坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換工作中，隨著測繪區(qū)域面積的不斷增大，配準獨立基站的坐標系統(tǒng)數(shù)會呈現(xiàn)增高的趨勢，相應的數(shù)據(jù)傳遞精度會大受影響。因此，兩種數(shù)據(jù)配準方式中，絕對配準的傳遞精度更高，基本不存在誤差問題，所以可以有效確保后續(xù)大比例尺地形圖測繪的質(zhì)量水平。

2.2.3 三維建模及面積核算

（1）數(shù)據(jù)分區(qū)。某項目需分別對三處已掛網(wǎng)區(qū)域和其他域進行三維建模和表面積核算處理，基于點云數(shù)據(jù)特點及賦色情況，建立如下分區(qū)原則：第一，掛網(wǎng)區(qū)域直接根據(jù)掛網(wǎng)區(qū)域的邊界進行選點，對于邊界模糊不清的區(qū)域，宜采用最小包圍矩形替代；第二，對于未掛網(wǎng)區(qū)域，則以連續(xù)區(qū)域為分區(qū)原則，即連續(xù)區(qū)域可歸為同一個分區(qū)，地形出現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)折的區(qū)域要分開計算，邊界以植被線為準。根據(jù)以上點云分區(qū)原則對指定區(qū)域進行分區(qū)，最終共將場區(qū)分為8部分，分區(qū)123代表已掛網(wǎng)區(qū)域，其他為未掛網(wǎng)區(qū)域，如圖4所示。

圖4 場區(qū)分區(qū)圖

（2）三維建模。將分區(qū)后的點云導入到相關(guān)軟件中，首先進行孤立點去除操作，以避免建模過程中產(chǎn)生較多釘狀物；然后進行點云孔洞修補、三角網(wǎng)封裝、孔洞修復、平滑釘狀物、網(wǎng)格平滑等一系列操作，采用自動修復和人工干預相結(jié)合的修復手段對模型進行綜合處理，最終得到各個分區(qū)較為平滑的三維模型成果，詳細見圖5所示。

圖5 孔洞示意圖

在建模過程中，對面積計算在建模過程中，對面積計算影響較大的當屬孔洞修復和平滑釘狀物，因為孔洞代表點云的缺失，而釘狀物代表無效點云的增多，相比于孔洞，釘狀物的修復更為復雜，因此在數(shù)據(jù)預處理和建模之前的孤立點去除操作中，要盡量保證噪點去除工作的完善。

2.2.4 大比例尺地形圖制作

三維激光掃描技術(shù)的原理是通過脈沖信號以及目標反射信號等，以此為基礎(chǔ)計算三維坐標信息數(shù)據(jù)，所以在實際的測繪工作中，地形圖數(shù)據(jù)信息采集還需要涉及到區(qū)域房屋、植被以及電線桿等目標，這些因素的存在對于大比例尺地形圖測繪精度會造成嚴重的影響。因此，在實際利用三維激光掃描技術(shù)實施測繪前，一般需要先對區(qū)域內(nèi)非地形數(shù)據(jù)信息進行過濾處理，以達到規(guī)避干擾的效果。通常而言，對于非地形數(shù)據(jù)信息的剔除需要結(jié)合計算機軟件來實現(xiàn)，比較常用的是Cyclone軟件，該軟件可以結(jié)合大比例尺地形圖測繪要求，根據(jù)規(guī)范的等高間距對區(qū)域的高層點數(shù)據(jù)進行提取。在完成這一操作后，相關(guān)測繪工作人員需要對生成的地形線質(zhì)量進行檢測，檢查是否存在扭曲或缺失等問題，一旦存在質(zhì)量隱患，要結(jié)合掃描自動存儲的照片信息，在此基礎(chǔ)上對地形線進行修正處理，直至質(zhì)量達到相關(guān)標準后進行高程標注點的添加，最終進行圖面整飾和核查。

2.2.5 工作難點及解決措施

在本次金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業(yè)中，利用三維激光掃描技術(shù)實施測繪存在以下幾點問題：第一，掃描路線規(guī)劃問題。由于本次研究的礦山區(qū)域?qū)儆诃h(huán)形地帶，受到地形地貌等因素的干擾和影響，掃描工作無法沿著環(huán)形路線進行，并且礦區(qū)內(nèi)部分區(qū)域存在遮擋問題，導致后續(xù)數(shù)據(jù)采集以及地形圖生成質(zhì)量受到影響。針對于此，要對現(xiàn)有的三維激光掃描規(guī)則進行調(diào)整和優(yōu)化，在區(qū)域視野開闊的位置將掃描間距控制在50m的標準，然后結(jié)合具體的遮擋情況，對掃描間距參數(shù)進行靈活調(diào)整，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性；第二，數(shù)據(jù)分區(qū)問題。該測區(qū)內(nèi)地形存在起伏問題，加之樹木、植被等因素的干擾，使得點云分區(qū)難度進一步加大，由于分區(qū)規(guī)則存在明顯差異，導致各個分區(qū)模型質(zhì)量千差萬別，最終對地形圖測繪質(zhì)量產(chǎn)生影響。對此，在實際開展作業(yè)中需要結(jié)合地形特征以及點云密度等參數(shù)，明確點云數(shù)據(jù)分區(qū)標準及原則，即掛網(wǎng)區(qū)域可以直接結(jié)合已掛網(wǎng)區(qū)域邊界進行實際劃分，其中邊界劃定模糊位置，可以運用最小包圍多邊形方式進行分區(qū)；未掛網(wǎng)區(qū)域嚴格遵循連續(xù)分區(qū)原則，以地形特征線為邊界實施分區(qū)。

3 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在金屬礦山大比例尺地形圖測繪作業(yè)中發(fā)揮出巨大的功能優(yōu)勢，可以顯著提升測繪準確性，同時減少人工勞動力，為后續(xù)地質(zhì)勘探提供有效的參考和依據(jù)。本次研究通過實例分析，重點就三維激光掃描技術(shù)的運用流程進行研究，其中包括前期準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、坐標轉(zhuǎn)換與配準以及大比例尺地形圖制作等，通過研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在提升地形圖測繪質(zhì)量方面效果顯著。需要注意的是，在技術(shù)運用過程中要特別注意掃描線路規(guī)劃以及點云分區(qū)等工作，對于工作開展中可能存在的影響因素進行分析，結(jié)合實際情況制定有效的應對措施，提升測繪質(zhì)量水平，為后續(xù)大比例尺地形圖測繪作業(yè)高效開展奠定堅實基礎(chǔ)。