殷齊魯

（濟(jì)寧市不動(dòng)產(chǎn)登記中心，山東 濟(jì)寧 272000）

由于露天礦山無序開采，帶來了一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，如破壞土地資源、污染礦區(qū)環(huán)境、引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等。進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境治理時(shí)，需要測(cè)量高精度的地形圖，為工作量計(jì)算、規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供依據(jù)[1]。由于礦區(qū)的無序開發(fā)利用，地形一般比較負(fù)責(zé)，部分區(qū)域形成陡崖，難以抵達(dá)，且具有一定的危險(xiǎn)性，測(cè)量難度極大，使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以滿足要求[2,3]。隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，其在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測(cè)繪中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 三維激光掃描測(cè)量的原理

三維激光掃描測(cè)繪的實(shí)質(zhì)是激光測(cè)距技術(shù)，測(cè)量的過程中，根據(jù)預(yù)先確定的掃描范圍和設(shè)定的點(diǎn)云密度，使用掃描鏡和伺服馬達(dá)依次獲取測(cè)量目標(biāo)表面上點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而完成測(cè)量工作，具有測(cè)量精度高、速度快、無接觸、高密度的特點(diǎn)[4]。目前三維激光掃描測(cè)量技術(shù)受到科技研發(fā)和數(shù)據(jù)采集人員的高度評(píng)價(jià)，已經(jīng)在建筑物竣工測(cè)量、地形圖測(cè)繪、三維建模、土方量計(jì)算、道路工程測(cè)量、古建筑測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

三維激光掃描測(cè)繪實(shí)質(zhì)上是利用掃描鏡和伺服馬達(dá)不斷重復(fù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程，從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配[5]。三維激光掃描儀直接采集的采樣點(diǎn)是局部坐標(biāo)，具體見圖1。如圖1所示，掃描儀的內(nèi)部為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向。則P點(diǎn)的坐標(biāo)（Xs、Ys、Zs）計(jì)算方法見下式。

圖1 三維激光掃描測(cè)量原理圖

在實(shí)際應(yīng)用中，可以將系統(tǒng)局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測(cè)繪工作使用的坐標(biāo)系。

本項(xiàng)目使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，儀器精度指標(biāo)與性能見表1。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)指標(biāo)

2 三維激光掃描測(cè)量流程

2.1 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測(cè)繪中，根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選擇使用基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法。并選擇合適的測(cè)點(diǎn)和標(biāo)靶，設(shè)置掃描點(diǎn)云采樣密度、最大測(cè)量范圍等參數(shù)。實(shí)際測(cè)量中，可以在通視條件相對(duì)較好的位置布設(shè)反射標(biāo)靶，在任意位置進(jìn)行露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理三維激光掃描時(shí)，同一測(cè)站必須同時(shí)掃描到三個(gè)及以上標(biāo)靶[6]。掃描結(jié)束后，對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描，獲取標(biāo)靶的精確幾何坐標(biāo)。最后，利用SDCORS-RTK測(cè)量標(biāo)靶的大地坐標(biāo)，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下[7]。

使用三維激光掃描測(cè)量時(shí)，需要注意檢查測(cè)量范圍不能遺漏，設(shè)置標(biāo)靶時(shí)盡可能均勻分布，標(biāo)靶離三維激光掃描儀的距離要適中，且需要拍攝掃描范圍的照片[8]。

2.2 三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、不同測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪和精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)處理與建模、地形圖繪制等工作[9]。

首先進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，利用精掃的標(biāo)靶點(diǎn)幾何坐標(biāo)，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系中，并進(jìn)行調(diào)整平差；然后進(jìn)行測(cè)站拼接，利用標(biāo)靶拼接功能進(jìn)行點(diǎn)云拼接，見圖2；點(diǎn)云濾波主要包括點(diǎn)云噪點(diǎn)剔除、植被剔除及點(diǎn)云密度抽稀等；最后進(jìn)行建模，得到DEM數(shù)據(jù)，見圖3，并通過繪圖得到露天礦區(qū)地形圖。

圖2 測(cè)站拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 三維激光掃描獲取的DEM數(shù)據(jù)

2.3 精度檢核與分析

使用SDCORS-RTK檢核三維激光掃描露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測(cè)繪成果的精度，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共計(jì)檢核220點(diǎn)，見表2。

表2 標(biāo)靶平面精度統(tǒng)計(jì)表

可以看出，三維激光掃描技術(shù)可以滿足露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測(cè)繪的精度要求。

3 結(jié)論

在露天礦山地質(zhì)環(huán)境治理測(cè)繪項(xiàng)目中，采用三維激光掃描技術(shù)，使用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，順利獲取了工作區(qū)范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云配準(zhǔn)、不同測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪和精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)處理與建模、地形圖繪制等工作，為礦山地質(zhì)環(huán)境治理提供了基礎(chǔ)的測(cè)繪數(shù)據(jù)，極大的方便了治理和設(shè)計(jì)工作。隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度的提高，地面三維激光掃描將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。