孫勇 廖沖斌 羅陽 鄧濤

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊；2.四川省天府容大信息科技有限公司）

三維激光掃描技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)全自動、快速性、非接觸、高密度、高精度獲取反映物體表面真實三維空間形態(tài)的三維空間信息獲取技術(shù)，數(shù)據(jù)獲取結(jié)果為海量的點(diǎn)云（Point Cloud），逼近三維原型，突破了傳統(tǒng)測繪儀器（全站儀、GPS-RTK 等）的單點(diǎn)測量模式，近年來在測繪地理信息領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用拓展［1-2］。基于三維激光掃描技術(shù)，文獻(xiàn)［3］采用六段解析法對徠卡C10 三維激光掃描儀在測距50 和100 m 處進(jìn)行試驗；文獻(xiàn)［4］利用比長基線場在測距72 和192 m 處對RIEGL-VZ1000 進(jìn)行測距精度評定；文獻(xiàn)［5］利用試驗場地在最遠(yuǎn)距離150 m 處開展試驗，研究結(jié)果顯示測距精度隨距離的變長呈下降趨勢；童魁等［6-7］以三維激光掃描儀入射角、點(diǎn)云拼接影響因素為研究對象開展試驗研究。地面三維激光掃描儀的標(biāo)稱精度由儀器廠商提供，實際應(yīng)用精度能否達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)是未知的；受試驗條件限制，學(xué)者對掃描距離評定研究主要是短程（200 m 以內(nèi)），無法滿足中遠(yuǎn)程三維激光掃描儀對掃描結(jié)果的質(zhì)量控制需求。

為驗證長距離地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)獲取結(jié)果的可靠性，以三維激光掃描系統(tǒng)的點(diǎn)云坐標(biāo)測量和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，設(shè)計了RIEGL-VZ2000i（掃描距離達(dá)2.0 km）三維激光掃描儀在礦山勘測中的精度檢測試驗。采用在試驗礦區(qū)設(shè)定固定標(biāo)靶，利用RIEGL-VZ2000i 三維激光掃描儀開展掃描測量，同時使用徠卡TS60高精度全站儀以無棱鏡模式對標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后對2種不同方法的測量結(jié)果進(jìn)行比較，從內(nèi)符合性和外符合性兩方面對RIEGL-VZ2000i 單站掃描測量精度進(jìn)行評定，并對多站間點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）精度進(jìn)行評價。

1 三維激光掃描系統(tǒng)

1.1 點(diǎn)云坐標(biāo)測量

三維激光掃描儀是一部精確的激光測距儀，核心工作原理是激光測距和激光束電子測角系統(tǒng)的自動化集成，工作效果類似于將傳統(tǒng)全站儀的點(diǎn)測量模式轉(zhuǎn)化為線、面測量模式，掃描儀通過掃描即可獲取目標(biāo)體的大量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。測量用三維激光掃描儀主要是基于脈沖測距法進(jìn)行激光測距，即激光測距儀通過主動發(fā)射激光，接收由自然物表面反射的信號而進(jìn)行測距，測距實則為測量激光脈沖的飛行時間。

設(shè)激光脈沖的飛行時間為t，則掃描站的激光發(fā)射幾何中心至掃描點(diǎn)的斜距S可表達(dá)為

式中，cg是激光脈沖在光透明介質(zhì)中傳播的光速，與大氣溫度、壓力和濕度有關(guān)。

三維激光掃描儀在激光測距的同時，通過控制系統(tǒng)可獲得掃描時激光束的水平方向角度φ和垂直方向角度θ，從而可得到每一個掃描點(diǎn)與激光發(fā)射中心的空間相對位置（圖1）。

設(shè)儀器坐標(biāo)系為O-XYZ，X軸平行于儀器掃描平面，Y軸在掃描平面內(nèi)垂直X軸，Z軸垂直于掃描平面，為儀器的豎軸方向，根據(jù)極坐標(biāo)測量原理，可以得到掃描點(diǎn)P（xp，yp，zp）的空間相對位置為

1.2 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀的坐標(biāo)系統(tǒng)主要涉及掃描儀自身坐標(biāo)系（SOCS）、項目坐標(biāo)系（PRCS）、全局坐標(biāo)系（GLCS）以及相機(jī)坐標(biāo)系（CMCS）。掃描儀自身坐標(biāo)系是以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的站心坐標(biāo)系，三維激光掃描所獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何信息（笛卡爾x、y、z坐標(biāo)及極坐標(biāo)S、θ、φ），以此坐標(biāo)系為基準(zhǔn)建立；項目坐標(biāo)系是一個局部坐標(biāo)系，用于將所有的掃描站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，為工程獨(dú)立坐標(biāo)系；全局坐標(biāo)系是嵌入項目坐標(biāo)系的坐標(biāo)系，可將工程獨(dú)立坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到項目所需要的正確坐標(biāo)系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標(biāo)系。

地面激光掃描儀配備有方向傳感器，能夠獲得掃描儀測量平面（SOCS）和水平面之間的傾斜角度。安置地面三維激光掃描儀時，無需嚴(yán)格整平，此時掃描儀自身坐標(biāo)系（SOCS）的XY平面不是標(biāo)準(zhǔn)的水平面（傾斜狀態(tài)）；基于SOCS，通過圍繞掃描儀的X、Y、Z軸分別旋轉(zhuǎn)一定角度（r、p、y）形成變換矩陣，即可將SOCS 中的測量點(diǎn)云PSOCS轉(zhuǎn)換為XY平面為標(biāo)準(zhǔn)水平面的地理定向坐標(biāo)系下的PENU（East-North-Up），PSOCS到點(diǎn)PENU的總轉(zhuǎn)換：

式中，RX(r)為圍繞X軸旋轉(zhuǎn)r角度為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；RY(p)為圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)p角度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；RZ(y)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)y角度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

為獲得完整的數(shù)據(jù)集，掃描儀會基于多個不同位置開展掃描，每個掃描站都會記錄傳感器方向和位置信息（SOP），則PSPi轉(zhuǎn)換至PPRCS、PGLCS，只需要與其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣（Msopi、Mpop）相乘即可，轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

1.3 影響精度的主要誤差

影響三維激光點(diǎn)云精度除了儀器誤差外，主要還有外界環(huán)境、目標(biāo)反射物以及人為誤差。儀器誤差直接表現(xiàn)結(jié)果為距離測量和角度測量（水平角、垂直角）誤差；外界環(huán)境包括氣象條件（氣壓、溫度、濕度）、激光掃描不同的入射角等，不同材質(zhì)、不同顏色和不同粗糙程度的目標(biāo)反射物的反射率不一樣，直接影響測距；人為誤差主要包括數(shù)據(jù)獲取掃描設(shè)站的合理性所引起的點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）誤差。

2 RIEGL-VZ2000i掃描測量的精度試驗

2.1 RIEGL-VZ2000i技術(shù)參數(shù)

RIEGL-VZ2000i 為長距離地面三維激光掃描儀，系奧地利RIEGL 公司產(chǎn)品。RIEGL 公司采用獨(dú)特的全波形處理技術(shù)（回波數(shù)據(jù)化、實時波形處理、多波束收發(fā)處理），使得RIEGL-VZ2000i 可以在沙塵、霧、雨、雪等能見度較低的天氣也能進(jìn)行快速、高精度、長距離地測量，在地形和礦山測量領(lǐng)域能夠得到很好地應(yīng)用。RIEGL-VZ2000i 的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)產(chǎn)品資料介紹，假設(shè)激光垂直入射目標(biāo)物、激光亮度均勻、目標(biāo)物表面平坦且面積大于激光束光斑以及大氣環(huán)境能見度為8 km（輕微霾）的情況下，RIEGL-VZ2000i 不同激光發(fā)射頻率的最大測量距離與目標(biāo)反射率的關(guān)系見圖3。

2.2 試驗設(shè)計

試驗場地選擇位于位于四川西南的某露天金屬礦，礦區(qū)平均海拔3 730～4 100 m，開采區(qū)高差大、視野開闊，呈環(huán)形多級階梯式開發(fā)，場區(qū)滿足本次試驗對掃描距離和掃描俯仰角的設(shè)計需要。試驗設(shè)計了2 種型號的標(biāo)靶，分別為60 mm×60 mm、180 mm×180 mm的正方形反射片，a型標(biāo)靶粘貼在反射片支架并釘立在礦區(qū)實地或直接粘貼在墻壁使用，b 型標(biāo)靶粘貼在500 mm×500 mm的正方形PVC板表面，作為移動標(biāo)靶安置在礦區(qū)。標(biāo)靶布設(shè)按照激光垂直、俯視、仰視3 種入射方式到標(biāo)靶反射面的試驗需要，主要分布于礦山中、下、上層開采平臺。具體方案如下：

（1）根據(jù)標(biāo)靶分布，利用RIEGL-VZ2000i 在設(shè)計的掃描站開展掃描，掃描模式選擇反射片，每一個掃描站獨(dú)立掃描3次。

（2）使用徠卡TS60高精度全站儀，以無棱鏡模式對標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)測量（TS60 的測角精度0.5″，測距精度最高可達(dá)1 mm+1 ppm），每個標(biāo)靶獨(dú)立測量3 次；為降低大氣溫度、壓力和濕度對全站儀測距結(jié)果的影響，將RIEGL-VZ2000i 自動獲取的氣象數(shù)據(jù)直接引入TS60，以保持氣象改正的一致性。

（3）采用華測i70（GPS-RTK）動態(tài)測量（標(biāo)稱平面精度8 mm+1 ppm，高程精度15 mm+1 ppm）對掃描站點(diǎn)進(jìn)行測量，以用于點(diǎn)云成果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（4）對三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，提取標(biāo)靶中心點(diǎn)位信息［8］，采用RiSCAN PRO軟件自動提取。

（5）將基于標(biāo)靶提取的掃描儀觀測值和全站儀實測值進(jìn)行比較，分別計算距離、平面、高程的中誤差，從內(nèi)符合和外符合角度綜合評定RIEGLVZ2000i的單站掃描精度［9］。

（6）利用RIEGL-VZ2000i 和RTK 2 種不同測量方式對礦區(qū)地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和土石方量計算，驗證RIEGL-VZ2000i 服務(wù)于礦區(qū)土石方量計算的可行性。

2.3 標(biāo)靶掃描數(shù)據(jù)獲取和整理

掃描步驟為先粗掃描、再精掃描（水平角速度設(shè)置為0.004°），進(jìn)而開展反射片的收縮掃描（水平角速度設(shè)置為0.001°）。反射片掃描在反射片上包含的點(diǎn)比全景掃描更多，采用RISCAN PRO 軟件可以對標(biāo)靶中心（反射片中心）進(jìn)行準(zhǔn)確的模型估計，在基于SOCS 的TPL 中能夠獲得單站下的反射片識別數(shù)據(jù)（包括反射片類型、質(zhì)量狀況、振幅、反射率、反射片中心至掃描中心的距離、反射片中心的平面坐標(biāo)和極坐標(biāo)信息）。反射片中心的檢核數(shù)據(jù)采用徠卡TS60高精度全站儀，以無棱鏡模式經(jīng)3次測量取平均值作為最終結(jié)果，相較于三維激光掃描儀掃描精度而言，徠卡TS60 無棱鏡測量結(jié)果能夠滿足對三維激光掃描儀掃描精度的驗證。

2.4 三維激光點(diǎn)云精度

2.4.1 單站掃描測量精度

2.4.1.1 內(nèi)符合精度評定

掃描儀在每一個掃描站測量多個測回，其內(nèi)符合精度評定中誤差公式為

式中，lij為i標(biāo)靶第j次的觀測結(jié)果，ˉ為i點(diǎn)n個測回掃描測量結(jié)果的平均值。

根據(jù)式（6）計算各標(biāo)靶在單站測量下的內(nèi)符合中誤差，同時對其測量距離比較接近的計算結(jié)果進(jìn)行了平均值處理。本次試驗，三維激光掃描儀到目標(biāo)標(biāo)靶的有效掃描測量中，距離、平面、高程的內(nèi)符合中誤差的精度統(tǒng)計結(jié)果見圖4。從圖4 中可以看出，在各種因素的綜合下，掃描距離500 m內(nèi)，RIEGL-VZ2000i 三維激光掃描測量距離（S）的內(nèi)符合中誤差位于0.005 m 左右（與儀器標(biāo)稱的測距中誤差較為一致），平面分量（X、Y）的內(nèi)符合中誤差位于0.010 m 左右，高程（Z）的內(nèi)符合中誤差近0.020 m，隨距離變長，距離、平面、高程的內(nèi)符合中誤差呈同步增大趨勢。

2.4.1.2 外符合精度評定。

基于三維激光掃描儀所布設(shè)標(biāo)靶的掃描結(jié)果，將其直接測量的斜距折算為水平距離后與全站儀實測得到的水平距離進(jìn)行比較（掃描儀激光中心和全站儀中心不一致，不能直接比較斜距），發(fā)現(xiàn)部分標(biāo)靶的掃描距離和全站儀實測距離差值很大（表2），分析主要原因：①激光束非垂直射入標(biāo)靶的反射面；②目標(biāo)物表面不平坦且面積小于激光束的面積，從而導(dǎo)致三維激光掃描結(jié)果產(chǎn)生“彗尾”現(xiàn)象。如表2 中的Sp1-a6掃描，其標(biāo)靶尺寸為60 mm× 60 mm，雖然通過增大掃描分辨率，三維激光掃描儀正確識別了標(biāo)靶（反射片），但激光束在580 m 處的直徑約為156 mm（激光發(fā)散度0.27 mrad），標(biāo)靶面積已經(jīng)遠(yuǎn)小于激光束光斑的面積，同時激光非垂直射入，光斑到達(dá)目標(biāo)反射面為非圓形光斑，在投射至目標(biāo)物時存有激光束部分截面提前到達(dá)礦山巖壁表面直接返回或延遲碰觸到其他表面才開始返回，激光測距的最終值則變成了多個截面測距的平均值，掃描測量結(jié)果就比真實值要小或大，故Sp1-a6 掃描結(jié)果的水平距離較全站儀實測差值達(dá)0.546 m。

表2中，標(biāo)靶a6、a7、a8、b2、b5由于俯仰角過大，同時掃描站到標(biāo)靶距離較遠(yuǎn)，致使掃描結(jié)果和全站儀實測值比較差值很大。基于上述分析，試驗時進(jìn)行了改進(jìn)，即對a4（激光垂直入射至標(biāo)靶表面）、a5（激光非垂直入射至標(biāo)靶表面）2 個標(biāo)靶在激光入射的標(biāo)靶后方向設(shè)置擋板（采用500 mm×500 mm 的PVC板，較標(biāo)靶距離0.1 m左右），然后對設(shè)置擋板前后分別掃描，結(jié)果見表3。

表3中，基于a4、a5標(biāo)靶驗證目標(biāo)反射面的大小和激光是否垂直入射對掃描結(jié)果的影響。試驗結(jié)果表明，在不考慮其他因素情況下，設(shè)置擋板和激光垂直入射對掃描結(jié)果更接近真值，即反射面的平整度、面積大小和激光是否垂直入射至目標(biāo)反射面直接影響掃描結(jié)果的精度。

本次試驗標(biāo)靶中，在排除激光束非垂直入射、標(biāo)靶面積較激光束光斑過小的情況下，對標(biāo)靶的正常掃描結(jié)果進(jìn)行外符合精度評價，評定公式為

將各個標(biāo)靶通過全站儀測量的結(jié)果視為真值，對掃描結(jié)果進(jìn)行校驗，校驗前先將掃描儀基于PSOCS的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為PENU，然后轉(zhuǎn)換至基于全站儀測量的坐標(biāo)系［10-11］。通過對各標(biāo)靶多測回數(shù)據(jù)取均值后，按照式（5）對水平距離、平面和高程進(jìn)行外符合精度評定，結(jié)果見表4。根據(jù)表4在良好的觀測環(huán)境（激光束垂直入射、目標(biāo)反射面積大于激光束光斑面積等）和測距500 m內(nèi)，距離（d）、平面分量（x、y）的外符合中誤差位于0.010 m，高程的外符合中誤差位于0.050 m左右，具有較高的精度。

2.4.2 多站掃描點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）精度

多站掃描完成后，開展點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)），點(diǎn)云拼接分為粗拼和精拼，粗拼主要有基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、基于幾何特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和基于測站后視的點(diǎn)云配準(zhǔn)處理［12］。在GNSS、慣性導(dǎo)航、陀螺儀等技術(shù)輔助下，三維激光掃描儀可以基于形狀匹配進(jìn)行自動拼接，但這對站與站之間的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求較高（提供更多的共面點(diǎn)云）。粗拼完成后開展精拼以改進(jìn)掃描位置的配準(zhǔn)，精拼主要采用迭代最近點(diǎn)算法（ICP 算法）［13］自動搜索對應(yīng)點(diǎn)，在多次迭代中修改每個掃描位置的方向和位置，達(dá)到最佳整體擬合。

本次試驗在采礦區(qū)（面積0.7 km2，高差350 m）共完成了16站數(shù)據(jù)采集，覆蓋礦區(qū)整體范圍，粗拼基于形狀匹配并結(jié)合人工調(diào)整進(jìn)行拼接，精拼后的誤差為0.009 m。大量經(jīng)驗表明，若設(shè)站合理，一般拼接誤差能夠控制在毫米級。

2.4.3 點(diǎn)云轉(zhuǎn)換至全局坐標(biāo)系（GLCS）

不同掃描位置所獲取的三維激光點(diǎn)云，經(jīng)點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）后得到項目坐標(biāo)系（PRCS）下的整體點(diǎn)云成果。針對測量需求，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一般為國家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)或地方獨(dú)立坐標(biāo)系，故基于PRCS 下的三維激光點(diǎn)云成果需要進(jìn)行相應(yīng)的空間轉(zhuǎn)換，以獲得所需求的全局坐標(biāo)系下的成果。

掃描儀在不同位置數(shù)據(jù)采集完成后，可采用常規(guī)測量手段同步測量掃描儀激光對中地面點(diǎn)的坐標(biāo)和高程（測站控制點(diǎn)），然后將地面點(diǎn)測量結(jié)果轉(zhuǎn)換至三維激光掃描儀器中心的坐標(biāo)，利用各個測站點(diǎn)作為2 套不同坐標(biāo)系下的公共點(diǎn)開展空間轉(zhuǎn)換。點(diǎn)云成果轉(zhuǎn)換至全局坐標(biāo)系（GLCS）實則為約束平差，平差結(jié)果殘差的大小與所測站控制點(diǎn)的精度直接相關(guān)，如高海拔地區(qū)采用國家標(biāo)準(zhǔn)投影，利用RTK 所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)反算所得距離與全站儀測量距離偏差很大（投影變形所致），坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將會發(fā)生較大的變形。實際工作中，應(yīng)根據(jù)工作需求和規(guī)范要求，選擇合適的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，保證投影變形在允許誤差范圍內(nèi)。

3 RIEGL-VZ2000i 在礦山土石方量勘測中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山開發(fā)的全過程管理中［14-16］，將三維激光掃描測量應(yīng)用于礦山土石收方是礦山勘測的進(jìn)一步探索。傳統(tǒng)土石方量計算在數(shù)據(jù)獲取上主要采用RTK 均勻采點(diǎn)，為了保證土石方量計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，RTK 數(shù)據(jù)采集應(yīng)滿足采點(diǎn)相應(yīng)的精度和密度。隨著測繪新技術(shù)的應(yīng)用，文獻(xiàn)［17］研究顯示基于無人機(jī)傾斜攝影測量的露采礦區(qū)土石方量計算結(jié)果較傳統(tǒng)RTK 實測的土石方量計算結(jié)果的相對誤差為6.1%，文獻(xiàn)［18］利用地面三維激光掃描儀和機(jī)載激光掃描儀分別獲取點(diǎn)云開展土方量計算，結(jié)果顯示二者相對誤差為7.2%。為進(jìn)一步探究RIEGL-VZ2000i 服務(wù)于礦山開發(fā)土石方量驗收工作的適宜性和可行性，試驗中利用RIEGLVZ2000i 和RTK 2 種不同測量方式對礦區(qū)地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和土石方量計算，并就計算結(jié)果開展方量比較，核定2種數(shù)據(jù)采集方法對方量結(jié)果的一致性。

掃描測站布設(shè)時，充分考慮掃描站至目標(biāo)反射面的距離、激光較目標(biāo)反射面的入射角、掃描站之間的共面重疊和三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可拼接性等，讓目標(biāo)面至少有2 站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。掃描應(yīng)保證所獲取的點(diǎn)云覆蓋全地表，避免空洞區(qū)域（如避免具有凹槽車道的開采平臺無點(diǎn)云數(shù)據(jù)），以避免所建立的不規(guī)則三角網(wǎng)地表模型不符合真實地表。原始掃描點(diǎn)云經(jīng)拼接和配準(zhǔn)后獲得礦山全局坐標(biāo)系（GLCS）下的成果點(diǎn)云，通過對點(diǎn)云中的浮塵、車輛、行人等噪點(diǎn)信息進(jìn)行過濾，利用Octree方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾和重采樣，創(chuàng)建數(shù)字高程模型，開展土石方計算，計算方法分別采用方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法進(jìn)行驗證。

土石方計算的礦區(qū)范圍共選擇了2個礦區(qū)，分別是1#和2#，1#礦區(qū)面積215 302.00 m2，2#礦區(qū)面積44 751.70 m2，土方計算初期使用同一數(shù)據(jù)，方格網(wǎng)計算法的格網(wǎng)間距均采用2 m×2 m，2 個礦區(qū)的計算結(jié)果分別見表5。

通過三維激光掃描測量獲取礦區(qū)地表數(shù)據(jù)用于土石方量計算，計算結(jié)果與傳統(tǒng)RTK 測量方法的相對誤差在1.00%左右，三維激光掃描所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度更高、更均勻，所建立的DEM 更符合真實地表。較RTK 實測而言，三維激光掃描工作效率高，作業(yè)勞動強(qiáng)度低，安全有保障，其精度能滿足礦山土石方測量的需要，三維激光掃描應(yīng)用于礦山土石方量計算工作具有非常大的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

基于三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)測量和點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以RIEGL-VZ2000i 長距離地面三維激光掃描儀為試驗設(shè)備開展了礦山勘測中的應(yīng)用研究，本次試驗可以得出如下結(jié)論：

（1）RIEGL-VZ2000i 在良好的觀測環(huán)境和測距500 m內(nèi)，單站掃描距離、平面位置、高程的內(nèi)符合中誤差分別為0.005，0.010，0.020 m左右，隨距離變長其內(nèi)符合中誤差呈同步增大趨勢；單站掃描距離、平面、高程的外符合中誤差分別為0.010，0.010，0.050 m左右，具有較高的精度，能夠滿足常規(guī)測量需求；若設(shè)站合理，多站掃描點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）精度能夠控制在毫米級。

（2）三維激光掃描測量的精度受多種因素影響，與激光的入射角、目標(biāo)反射面的平整度和面積具有較大關(guān)系，主要表現(xiàn)在：①激光束非垂直射入目標(biāo)反射面；②目標(biāo)物表面不平坦且面積小于激光束的面積，導(dǎo)致三維激光掃描結(jié)果產(chǎn)生“彗尾”現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的誤差。

（3）利用RIEGL-VZ2000i 進(jìn)行三維激光掃描和RTK 實測2 種不同的方式進(jìn)行礦山數(shù)據(jù)采集和土石方量計算，結(jié)果顯示二者的相對誤差為1.00%左右，其精度能夠滿足礦山土石方測量的需要，將三維激光掃描應(yīng)用于礦山土石方量計算工作具有工作效率高、勞動強(qiáng)度低、安全有保障等優(yōu)勢。

（4）應(yīng)用長距離地面三維激光掃描儀開展數(shù)據(jù)獲取，應(yīng)充分考慮掃描站至目標(biāo)反射面的距離、激光較目標(biāo)反射面的入射角、掃描站之間的共面重疊和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可拼接性等，建議將掃描距離控制在標(biāo)稱測程的1/3～1/2，通過增加設(shè)站的方式讓掃描儀激光入射光盡量垂直照射至目標(biāo)面，并且讓目標(biāo)面至少有2站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

（5）研究結(jié)果對長距離地面三維激光掃描儀的精度評定和項目生產(chǎn)應(yīng)用提供了一定的參考價值，不足之處表現(xiàn)在受礦山生產(chǎn)的影響，試驗數(shù)據(jù)上稍顯有限，后續(xù)工作上應(yīng)進(jìn)一步改善研究條件對不同的目標(biāo)反射面進(jìn)行試驗，同時根據(jù)標(biāo)靶在水平方向、垂直方向偏轉(zhuǎn)角度的不同，以及不同大小標(biāo)靶對掃描測量結(jié)果的影響作定量研究。