趙晉睿，崔英良

（河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司，河北 保定 073100）

隨著社會(huì)現(xiàn)代化信息化發(fā)展進(jìn)程的加快，“數(shù)字城市”、“數(shù)字礦山”等理念相應(yīng)而出，這就對(duì)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(shè)“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，也是礦山生產(chǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的地形三維數(shù)據(jù)采集以單點(diǎn)采集方式為主，如經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等。隨著科學(xué)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(jī)航測(cè)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(shí)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(cè)繪手段，在金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)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(jī)、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(yīng)的脈沖信號(hào)，這種信號(hào)在接觸到待測(cè)目標(biāo)后會(huì)形成反射信號(hào)，然后被接收透鏡接收目標(biāo)表面的反射信號(hào)后，生成逐一對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)。在信號(hào)發(fā)射到后續(xù)接收的這一段時(shí)間里，設(shè)三維激光掃描儀與待測(cè)目標(biāo)之間的距離為S，儀器垂直和水平方向的觀測(cè)角度分別為θ、φ，此時(shí)待測(cè)目標(biāo)P的三維坐標(biāo)P(x,y,z)，主要計(jì)算如下：

由上述公式（1）可以直接計(jì)算得出待測(cè)區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)，可見三維激光掃描儀主要通過這一原理對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┤婵尚械臏y(cè)繪掃描，獲取得到待測(cè)區(qū)域的點(diǎn)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(biāo)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(dǎo)。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(shì)，被廣泛運(yùn)用到金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪作業(yè)中，詳細(xì)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(cè)繪的意義

在金屬礦山資源開發(fā)利用前，一般需要進(jìn)行科學(xué)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(cè)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)前金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)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(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)工藝，提升大比例尺地形圖測(cè)繪水平是當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的難題。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，很多新型的測(cè)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(shì)是非接觸、多平臺(tái)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(shí)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(shí)際運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)過程中，通常主要結(jié)合三維掃描儀獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)處理軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，最終生成三維礦山立體地形圖。對(duì)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(diǎn)采集為主，如此獲取的三維地形圖一般都是以離散點(diǎn)作為支撐，工作開展中常見的設(shè)備儀器包括經(jīng)緯儀、全站儀等，由于單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集工作強(qiáng)度比較大，不僅增加了多余的勞動(dòng)力，而且還大幅延長(zhǎng)了測(cè)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(jī)測(cè)量技術(shù)等進(jìn)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(cè)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(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 準(zhǔn)備工作

在實(shí)際結(jié)合三維激光掃描技術(shù)實(shí)施金屬礦山測(cè)繪前，首先需要做好前期準(zhǔn)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(shí)際大比例尺地形圖測(cè)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(shì)和功能，但是實(shí)際當(dāng)中該技術(shù)的測(cè)繪精度會(huì)隨著掃描距離的增加而降低，當(dāng)超出一定標(biāo)準(zhǔn)以后，該技術(shù)所獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性便無法滿足精度要求，給后續(xù)大比例尺地形圖測(cè)繪造成很大的困擾。針對(duì)于此，在實(shí)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(cè)繪工程實(shí)際，對(duì)三維激光掃描儀的掃描半徑參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保該技術(shù)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息滿足實(shí)際的精度要求。不僅如此，為了進(jìn)一步提升測(cè)繪質(zhì)量和水平，在實(shí)際利用三維激光掃描技術(shù)開展作業(yè)中，工作人員要嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范執(zhí)行操作，盡可能的降低測(cè)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(shí)施數(shù)據(jù)采集和處理，詳細(xì)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(zhǔn)備工作結(jié)束之后，需要結(jié)合工程實(shí)際情況制定行之有效的測(cè)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(dǎo)。由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集屬于三維坐標(biāo)信息的原始測(cè)繪數(shù)據(jù)，要想為后續(xù)大比例尺地形圖測(cè)繪提供指導(dǎo)和參考，還需要對(duì)原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。對(duì)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(shí)際情況，對(duì)三維激光掃描設(shè)備型號(hào)、參數(shù)等進(jìn)行確定，同時(shí)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(zhǔn)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(cè)繪作業(yè)中，結(jié)合HDS ScanStation C10型號(hào)的三維激光掃描設(shè)備實(shí)施作業(yè)，結(jié)合當(dāng)?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(shè)備的掃描距離最大為300m。在該工程測(cè)繪項(xiàng)目中，為了盡可能的提升大比例尺地形圖測(cè)繪效果，相關(guān)工作人員需要結(jié)合踏勘結(jié)果對(duì)礦山測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行分解，將其劃分為三個(gè)子區(qū)塊，一方面是以此降低測(cè)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(jì)效益的顯著提升。需要注意的是，在實(shí)際進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作當(dāng)中，在完成每一站三維激光掃描任務(wù)指標(biāo)后，需要及時(shí)對(duì)掃描數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷其是否可以滿足實(shí)際的大比例尺地形圖測(cè)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(cè)量工作；反之，如果數(shù)據(jù)檢測(cè)不合格，需要開展重復(fù)性測(cè)量和采集工作，直至精準(zhǔn)度符合要求即可。

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為了在實(shí)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(jìn)行多基站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換操作，詳細(xì)如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

其目的是讓待測(cè)礦山區(qū)域的三維坐標(biāo)信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到單一坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)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(shè)備儀器內(nèi)部的自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，也就是說采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在很大的差異性。針對(duì)于此，在對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行從處理前，需要將差異性的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一整合到單一坐標(biāo)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(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至單一測(cè)站的局部坐標(biāo)系統(tǒng)中，然后結(jié)合相鄰站點(diǎn)間多個(gè)同名控制標(biāo)靶的配準(zhǔn)方式，以此達(dá)到提升坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性目的。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式來說，其對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體精準(zhǔn)度干擾比較大，通?？梢约?xì)分為兩種形式，即絕對(duì)配準(zhǔn)和相對(duì)配準(zhǔn)，前者在實(shí)際運(yùn)用過程中一般是將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相結(jié)合，包括全站儀、經(jīng)緯儀等，憑借單點(diǎn)測(cè)繪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和功能，獲取單一基站的坐標(biāo)系統(tǒng)以及標(biāo)靶坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)繪手段對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)位坐標(biāo)絕對(duì)化控制，最終完成對(duì)于坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換工作；后者主要基于單一站點(diǎn)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)其它獨(dú)立點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)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(diǎn)之間至少存在三個(gè)同名標(biāo)靶，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。在利用該方式進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換工作中，隨著測(cè)繪區(qū)域面積的不斷增大，配準(zhǔn)獨(dú)立基站的坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)會(huì)呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞精度會(huì)大受影響。因此，兩種數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式中，絕對(duì)配準(zhǔn)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(cè)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(xiàng)目需分別對(duì)三處已掛網(wǎng)區(qū)域和其他域進(jìn)行三維建模和表面積核算處理，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)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(jìn)行選點(diǎn)，對(duì)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(duì)于未掛網(wǎng)區(qū)域，則以連續(xù)區(qū)域?yàn)榉謪^(qū)原則，即連續(xù)區(qū)域可歸為同一個(gè)分區(qū)，地形出現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)折的區(qū)域要分開計(jì)算，邊界以植被線為準(zhǔn)。根據(jù)以上點(diǎn)云分區(qū)原則對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，最終共將場(chǎng)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(chǎng)區(qū)分區(qū)圖

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

圖5 孔洞示意圖

在建模過程中，對(duì)面積計(jì)算在建模過程中，對(duì)面積計(jì)算影響較大的當(dāng)屬孔洞修復(fù)和平滑釘狀物，因?yàn)榭锥创睃c(diǎn)云的缺失，而釘狀物代表無效點(diǎn)云的增多，相比于孔洞，釘狀物的修復(fù)更為復(fù)雜，因此在數(shù)據(jù)預(yù)處理和建模之前的孤立點(diǎn)去除操作中，要盡量保證噪點(diǎn)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(hào)以及目標(biāo)反射信號(hào)等，以此為基礎(chǔ)計(jì)算三維坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)，所以在實(shí)際的測(cè)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(biāo)，這些因素的存在對(duì)于大比例尺地形圖測(cè)繪精度會(huì)造成嚴(yán)重的影響。因此，在實(shí)際利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)施測(cè)繪前，一般需要先對(duì)區(qū)域內(nèi)非地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過濾處理，以達(dá)到規(guī)避干擾的效果。通常而言，對(duì)于非地形數(shù)據(jù)信息的剔除需要結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)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(cè)繪要求，根據(jù)規(guī)范的等高間距對(duì)區(qū)域的高層點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。在完成這一操作后，相關(guān)測(cè)繪工作人員需要對(duì)生成的地形線質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)存儲(chǔ)的照片信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)地形線進(jìn)行修正處理，直至質(zhì)量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行高程標(biāo)注點(diǎn)的添加，最終進(jìn)行圖面整飾和核查。

2.2.5 工作難點(diǎn)及解決措施

在本次金屬礦山大比例尺地形圖測(cè)繪作業(yè)中，利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)施測(cè)繪存在以下幾點(diǎn)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(jìn)行，并且礦區(qū)內(nèi)部分區(qū)域存在遮擋問題，導(dǎo)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(duì)于此，要對(duì)現(xiàn)有的三維激光掃描規(guī)則進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，然后結(jié)合具體的遮擋情況，對(duì)掃描間距參數(shù)進(jìn)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(cè)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(diǎn)云分區(qū)難度進(jìn)一步加大，由于分區(qū)規(guī)則存在明顯差異，導(dǎo)致各個(gè)分區(qū)模型質(zhì)量千差萬別，最終對(duì)地形圖測(cè)繪質(zhì)量產(chǎn)生影響。對(duì)此，在實(shí)際開展作業(yè)中需要結(jié)合地形特征以及點(diǎn)云密度等參數(shù)，明確點(diǎn)云數(shù)據(jù)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行實(shí)際劃分，其中邊界劃定模糊位置，可以運(yùn)用最小包圍多邊形方式進(jìn)行分區(qū)；未掛網(wǎng)區(qū)域嚴(yán)格遵循連續(xù)分區(qū)原則，以地形特征線為邊界實(shí)施分區(qū)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(cè)繪作業(yè)中發(fā)揮出巨大的功能優(yōu)勢(shì)，可以顯著提升測(cè)繪準(zhǔn)確性，同時(shí)減少人工勞動(dòng)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(shí)例分析，重點(diǎn)就三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用流程進(jìn)行研究，其中包括前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與配準(zhǔn)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(cè)繪質(zhì)量方面效果顯著。需要注意的是，在技術(shù)運(yùn)用過程中要特別注意掃描線路規(guī)劃以及點(diǎn)云分區(qū)等工作，對(duì)于工作開展中可能存在的影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況制定有效的應(yīng)對(duì)措施，提升測(cè)繪質(zhì)量水平，為后續(xù)大比例尺地形圖測(cè)繪作業(yè)高效開展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。