張燈軍

摘要：三維激光掃描技術(shù)作為一種新技術(shù)，它被稱之為由“單點(diǎn)測(cè)量”到“面測(cè)量”進(jìn)化的革命性技術(shù)突破。本文中，筆者歸納了“三維激光掃描技術(shù)”的工作流程，基于此，探討了“三維激光掃描技術(shù)”獲取DEM模型的方法，著重討論了外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)絕對(duì)定位及拼接等。試驗(yàn)結(jié)果初步說明了，該技術(shù)較為適合大變形邊坡監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)檫吰聻?zāi)害提供真實(shí)、客觀、有效的預(yù)警信息。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);工作流程;DEM模型

三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而相比較而言，傳統(tǒng)的“地表建模工具”的作業(yè)效率低下，且已經(jīng)有了逐步被三維激光掃描技術(shù)替代的趨勢(shì)。新時(shí)期，三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)已經(jīng)逐漸成熟的新技術(shù)，它應(yīng)用于礦山邊坡變形監(jiān)測(cè)中，既能夠?qū)崿F(xiàn)礦山邊坡坡體的快速數(shù)字化，還能夠獲取礦山邊坡坡體表面的三維影像，從而切實(shí)實(shí)現(xiàn)“見=測(cè)”[1]。下文中，筆者歸納了“三維激光掃描技術(shù)”的工作流程，并探討了“三維激光掃描技術(shù)”獲取DEM模型的方法，著重討論了外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)絕對(duì)定位及拼接等，具體如下：

1.三維激光掃描的工作流程

目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)引起了研究領(lǐng)域的關(guān)注，而三維激光掃描儀的工作原理就是激光測(cè)距，通過記錄被測(cè)物體表面“點(diǎn)”的三維坐標(biāo)、反射率以及紋理等信息，進(jìn)而快速生成被測(cè)物體的三維模型及點(diǎn)、線、面等各種圖間數(shù)據(jù)。這里需要注意的就是，該技術(shù)測(cè)量的“點(diǎn)”呈現(xiàn)大量、密集的特征。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)礦山邊坡的變形，能夠獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且每個(gè)點(diǎn)的位置信息都可以通過極坐標(biāo)（α，ξ，d）清晰地展現(xiàn)于掃描坐標(biāo)中。掃描前，要結(jié)合礦山邊坡坡體的具體情況，設(shè)置恰當(dāng)?shù)摹皰呙杩刂泣c(diǎn)”，并通過GPS（ Global Positioning System）獲取每一個(gè)“掃描控制點(diǎn)”的大地坐標(biāo)，為將“點(diǎn)云坐標(biāo)”轉(zhuǎn)化為“大地坐標(biāo)”奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也能夠?yàn)榉治龅V山邊坡變形提供一份客觀、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，提取礦山邊坡坡體的特征，進(jìn)而生成精確度較高的DEM模型。

2.三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的方法與流程

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合礦山邊坡具體的地理位置，利用CYRA2500三維掃描儀對(duì)監(jiān)測(cè)體進(jìn)行大面積的掃描，而CYRA2500三維掃描儀工作時(shí)，要按部就班地逐站進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，并且在此次三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取的過程中，采用“分站一分景”的掃描過程，即分別在礦山邊坡坡體的上、中、下三個(gè)位置建立分站，并且每個(gè)分站都要通過“圓形區(qū)域”完成掃描。這里需要注意的就是，掃描儀器采集到的信息，并不能夠直接運(yùn)用，而是要對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，剔除誤差信息，確保信息的客觀性與可操性，為建立精確度高的DME模型提供數(shù)據(jù)支持。

2.2數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)工作完成后，緊隨而來的就是數(shù)據(jù)處理工作，結(jié)合多年一線的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，精確處理數(shù)據(jù)并非一項(xiàng)簡單的工作，而是要通過多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)共同協(xié)作完成，主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、各景掃描數(shù)據(jù)以及坡體DEM生成，具體如下：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配。點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配的終極目標(biāo)就是完成“點(diǎn)云坐標(biāo)”到“大地坐標(biāo)”的轉(zhuǎn)化，而實(shí)際運(yùn)用中，往往會(huì)采用“標(biāo)志點(diǎn)匹配法”實(shí)現(xiàn)，具體步驟為：首先，按照空間坐標(biāo)與距離值，處理礦山邊坡坡體的第一幅點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)的集合，同時(shí)還要?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行分層劃分，進(jìn)而形成層嵌套;其次，將礦山邊坡坡體的第一幅點(diǎn)云作為基準(zhǔn)，并將第一幅點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)與第二幅點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行匹配，這里需要注意的就是：匹配點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，要結(jié)合運(yùn)動(dòng)規(guī)律預(yù)設(shè)出數(shù)據(jù)采集的區(qū)域，同時(shí)要選用“區(qū)域數(shù)據(jù)匹配法”，將已然處理好的數(shù)據(jù)引入到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)層，進(jìn)行更深入的預(yù)測(cè)估計(jì)，并要結(jié)合實(shí)況不斷地修改、更正數(shù)據(jù)層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化狀態(tài)。

（2）各景掃描數(shù)據(jù)絕對(duì)定位及拼接。點(diǎn)云坐標(biāo)就是以各分站位置原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系坐標(biāo)，而要想建立精確度高的坡體DEM模型，就要將各景的“點(diǎn)云坐標(biāo)”統(tǒng)一呈現(xiàn)于同一坐標(biāo)下。多視點(diǎn)云拼接就是貫徹實(shí)測(cè)位置的原則，將不同坐標(biāo)系中的“分景”點(diǎn)云數(shù)據(jù)，統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系中描述出來，得到較為完整、寫實(shí)的三維物體。目前，在數(shù)據(jù)處理過程中，一般會(huì)運(yùn)用標(biāo)定物拼接和ICP（It-erative Closest Point迭代最近點(diǎn)）算法這兩種方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接[2]。

標(biāo)定物拼接：最大的優(yōu)點(diǎn)就是速度比較快，僅僅需要解一組線性方程組就可以，而最大的缺點(diǎn)就是準(zhǔn)確率較低，因?yàn)闃?biāo)定物往往都有一定的體積，進(jìn)而導(dǎo)致標(biāo)定物點(diǎn)、線、面等的反射率的一致性難以保障。

ICP算法：是一種點(diǎn)集對(duì)點(diǎn)集配準(zhǔn)方法。該方法的精確性非常高，操作便易，且掃描不再需要借助反射體，但是迭代過程會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，特別是初值選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，收斂的速度就會(huì)更為緩慢，甚至?xí)霈F(xiàn)“發(fā)散”的現(xiàn)象。

試驗(yàn)時(shí)，可以選用CPS和全站儀對(duì)坡體進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)而掃描。

（3）礦山邊坡坡體DEM的生成。為了生成礦山邊坡坡體的DEM模型，可以選用CYCLONE軟件，利用其具備的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，完成掃描格式IMP向用戶需求格式IMP的轉(zhuǎn)化。無論任何時(shí)段的DEM都要通過坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一描述，呈現(xiàn)于同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，目的就是采用求差方法，對(duì)礦山邊坡變形進(jìn)行客觀的分析。當(dāng)比較同水平坐標(biāo)點(diǎn)的高程變化時(shí)，就要將初始化的DEM數(shù)據(jù)作為參考，并將后面的DEM進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算，進(jìn)而獲取坡體變化的大小。

3.結(jié)論與討論

將某礦山邊坡作為研究對(duì)象，為了監(jiān)測(cè)該礦山邊坡變形的情況，明確三維激光掃描技術(shù)較于常規(guī)測(cè)量方法優(yōu)越，筆者分別采用了三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)兩種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

結(jié)合表1發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)能夠獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是傳統(tǒng)測(cè)量法所獲得“點(diǎn)”的數(shù)十倍，精確獲取了坡體表面變化的情況，更生成了直觀、形象的三維影像，同時(shí)它降低了投入的人力與費(fèi)用，更提高了監(jiān)測(cè)的安全性，避免測(cè)量人員深入礦區(qū)。而由甲、乙、丙、丁四個(gè)區(qū)域變化量的測(cè)量結(jié)果得知，三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)更客觀與可靠。除此之外，三維激光掃描技術(shù)能夠?yàn)檫吰聻?zāi)害提供真實(shí)、客觀、有效的預(yù)警信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]王黎明，劉夫曉，王新生.三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用U].礦山測(cè)量，2013（03）：79-80+95.

[2]王偉忠，朱煜峰，王建強(qiáng).三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量改善方法研究——以新疆呼圖壁煤礦為例卟現(xiàn)代礦業(yè)，2012（08）：49-50.