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(duì)；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(dòng)、快速性、非接觸、高密度、高精度獲取反映物體表面真實(shí)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(cè)繪儀器（全站儀、GPS-RTK 等）的單點(diǎn)測(cè)量模式，近年來在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用拓展［1-2］?；谌S激光掃描技術(shù)，文獻(xiàn)［3］采用六段解析法對(duì)徠卡C10 三維激光掃描儀在測(cè)距50 和100 m 處進(jìn)行試驗(yàn)；文獻(xiàn)［4］利用比長(zhǎng)基線場(chǎng)在測(cè)距72 和192 m 處對(duì)RIEGL-VZ1000 進(jìn)行測(cè)距精度評(píng)定；文獻(xiàn)［5］利用試驗(yàn)場(chǎng)地在最遠(yuǎn)距離150 m 處開展試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示測(cè)距精度隨距離的變長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)；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(duì)象開展試驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用精度能否達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)是未知的；受試驗(yàn)條件限制，學(xué)者對(duì)掃描距離評(píng)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(duì)掃描結(jié)果的質(zhì)量控制需求。

為驗(yàn)證長(zhǎng)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(cè)量和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了RIEGL-VZ2000i（掃描距離達(dá)2.0 km）三維激光掃描儀在礦山勘測(cè)中的精度檢測(cè)試驗(yàn)。采用在試驗(yàn)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(cè)量，同時(shí)使用徠卡TS60高精度全站儀以無棱鏡模式對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后對(duì)2種不同方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從內(nèi)符合性和外符合性兩方面對(duì)RIEGL-VZ2000i 單站掃描測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)定，并對(duì)多站間點(diǎn)云拼接（配準(zhǔn)）精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 三維激光掃描系統(tǒng)

1.1 點(diǎn)云坐標(biāo)測(cè)量

三維激光掃描儀是一部精確的激光測(cè)距儀，核心工作原理是激光測(cè)距和激光束電子測(cè)角系統(tǒng)的自動(dòng)化集成，工作效果類似于將傳統(tǒng)全站儀的點(diǎn)測(cè)量模式轉(zhuǎn)化為線、面測(cè)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(cè)量用三維激光掃描儀主要是基于脈沖測(cè)距法進(jìn)行激光測(cè)距，即激光測(cè)距儀通過主動(dòng)發(fā)射激光，接收由自然物表面反射的信號(hào)而進(jìn)行測(cè)距，測(cè)距實(shí)則為測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間。

設(shè)激光脈沖的飛行時(shí)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(cè)距的同時(shí)，通過控制系統(tǒng)可獲得掃描時(shí)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(gè)掃描點(diǎn)與激光發(fā)射中心的空間相對(duì)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(cè)量原理，可以得到掃描點(diǎn)P（xp，yp，zp）的空間相對(duì)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(xiàng)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(xiàng)目坐標(biāo)系是一個(gè)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(xiàng)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(xiàng)目所需要的正確坐標(biāo)系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)換至2000國(guó)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(cè)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(shí)，無需嚴(yán)格整平，此時(shí)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(cè)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(huì)基于多個(gè)不同位置開展掃描，每個(gè)掃描站都會(huì)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(duì)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(cè)量和角度測(cè)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(cè)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(cè)量的精度試驗(yàn)

2.1 RIEGL-VZ2000i技術(shù)參數(shù)

RIEGL-VZ2000i 為長(zhǎng)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(shí)時(shí)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(zhǎng)距離地測(cè)量，在地形和礦山測(cè)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(cè)量距離與目標(biāo)反射率的關(guān)系見圖3。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)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(jí)階梯式開發(fā)，場(chǎng)區(qū)滿足本次試驗(yàn)對(duì)掃描距離和掃描俯仰角的設(shè)計(jì)需要。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2 種型號(hào)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(shí)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(dòng)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(yàn)需要，主要分布于礦山中、下、上層開采平臺(tái)。具體方案如下：

（1）根據(jù)標(biāo)靶分布，利用RIEGL-VZ2000i 在設(shè)計(jì)的掃描站開展掃描，掃描模式選擇反射片，每一個(gè)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(duì)標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量（TS60 的測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度最高可達(dá)1 mm+1 ppm），每個(gè)標(biāo)靶獨(dú)立測(cè)量3 次；為降低大氣溫度、壓力和濕度對(duì)全站儀測(cè)距結(jié)果的影響，將RIEGL-VZ2000i 自動(dòng)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(cè)i70（GPS-RTK）動(dòng)態(tài)測(cè)量（標(biāo)稱平面精度8 mm+1 ppm，高程精度15 mm+1 ppm）對(duì)掃描站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以用于點(diǎn)云成果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（4）對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀測(cè)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(dòng)提取。

（5）將基于標(biāo)靶提取的掃描儀觀測(cè)值和全站儀實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，分別計(jì)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(píng)定RIEGLVZ2000i的單站掃描精度［9］。

（6）利用RIEGL-VZ2000i 和RTK 2 種不同測(cè)量方式對(duì)礦區(qū)地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和土石方量計(jì)算，驗(yàn)證RIEGL-VZ2000i 服務(wù)于礦區(qū)土石方量計(jì)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(duì)標(biāo)靶中心（反射片中心）進(jìn)行準(zhǔn)確的模型估計(jì)，在基于SOCS 的TPL 中能夠獲得單站下的反射片識(shí)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(cè)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(cè)量結(jié)果能夠滿足對(duì)三維激光掃描儀掃描精度的驗(yàn)證。

2.4 三維激光點(diǎn)云精度

2.4.1 單站掃描測(cè)量精度

2.4.1.1 內(nèi)符合精度評(píng)定

掃描儀在每一個(gè)掃描站測(cè)量多個(gè)測(cè)回，其內(nèi)符合精度評(píng)定中誤差公式為

式中，lij為i標(biāo)靶第j次的觀測(cè)結(jié)果，ˉ為i點(diǎn)n個(gè)測(cè)回掃描測(cè)量結(jié)果的平均值。

根據(jù)式（6）計(jì)算各標(biāo)靶在單站測(cè)量下的內(nèi)符合中誤差，同時(shí)對(duì)其測(cè)量距離比較接近的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了平均值處理。本次試驗(yàn)，三維激光掃描儀到目標(biāo)標(biāo)靶的有效掃描測(cè)量中，距離、平面、高程的內(nèi)符合中誤差的精度統(tǒng)計(jì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)，距離、平面、高程的內(nèi)符合中誤差呈同步增大趨勢(shì)。

2.4.1.2 外符合精度評(píng)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(cè)量的斜距折算為水平距離后與全站儀實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(cè)距的最終值則變成了多個(gè)截面測(cè)距的平均值，掃描測(cè)量結(jié)果就比真實(shí)值要小或大，故Sp1-a6 掃描結(jié)果的水平距離較全站儀實(shí)測(cè)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(shí)掃描站到標(biāo)靶距離較遠(yuǎn)，致使掃描結(jié)果和全站儀實(shí)測(cè)值比較差值很大?；谏鲜龇治觯囼?yàn)時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)，即對(duì)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(gè)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(duì)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(yàn)證目標(biāo)反射面的大小和激光是否垂直入射對(duì)掃描結(jié)果的影響。試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(duì)標(biāo)靶的正常掃描結(jié)果進(jìn)行外符合精度評(píng)價(jià)，評(píng)定公式為

將各個(gè)標(biāo)靶通過全站儀測(cè)量的結(jié)果視為真值，對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)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(cè)量的坐標(biāo)系［10-11］。通過對(duì)各標(biāo)靶多測(cè)回?cái)?shù)據(jù)取均值后，按照式（5）對(duì)水平距離、平面和高程進(jìn)行外符合精度評(píng)定，結(jié)果見表4。根據(jù)表4在良好的觀測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)拼接，但這對(duì)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(dòng)搜索對(duì)應(yīng)點(diǎn)，在多次迭代中修改每個(gè)掃描位置的方向和位置，達(dá)到最佳整體擬合。

本次試驗(yàn)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(yàn)表明，若設(shè)站合理，一般拼接誤差能夠控制在毫米級(jí)。

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(xiàng)目坐標(biāo)系（PRCS）下的整體點(diǎn)云成果。針對(duì)測(cè)量需求，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一般為國(guó)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(cè)量手段同步測(cè)量掃描儀激光對(duì)中地面點(diǎn)的坐標(biāo)和高程（測(cè)站控制點(diǎn)），然后將地面點(diǎn)測(cè)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(gè)測(cè)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(shí)則為約束平差，平差結(jié)果殘差的大小與所測(cè)站控制點(diǎn)的精度直接相關(guān)，如高海拔地區(qū)采用國(guó)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(cè)量距離偏差很大（投影變形所致），坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將會(huì)發(fā)生較大的變形。實(shí)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(cè)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(cè)量應(yīng)用于礦山土石收方是礦山勘測(cè)的進(jìn)一步探索。傳統(tǒng)土石方量計(jì)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(jì)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(cè)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(cè)量的露采礦區(qū)土石方量計(jì)算結(jié)果較傳統(tǒng)RTK 實(shí)測(cè)的土石方量計(jì)算結(jié)果的相對(duì)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(jì)算，結(jié)果顯示二者相對(duì)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(yàn)收工作的適宜性和可行性，試驗(yàn)中利用RIEGLVZ2000i 和RTK 2 種不同測(cè)量方式對(duì)礦區(qū)地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和土石方量計(jì)算，并就計(jì)算結(jié)果開展方量比較，核定2種數(shù)據(jù)采集方法對(duì)方量結(jié)果的一致性。

掃描測(cè)站布設(shè)時(shí)，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(tái)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(shí)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(duì)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(jì)算，計(jì)算方法分別采用方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法進(jìn)行驗(yàn)證。

土石方計(jì)算的礦區(qū)范圍共選擇了2個(gè)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(jì)算初期使用同一數(shù)據(jù)，方格網(wǎng)計(jì)算法的格網(wǎng)間距均采用2 m×2 m，2 個(gè)礦區(qū)的計(jì)算結(jié)果分別見表5。

通過三維激光掃描測(cè)量獲取礦區(qū)地表數(shù)據(jù)用于土石方量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)RTK 測(cè)量方法的相對(duì)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(shí)地表。較RTK 實(shí)測(cè)而言，三維激光掃描工作效率高，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全有保障，其精度能滿足礦山土石方測(cè)量的需要，三維激光掃描應(yīng)用于礦山土石方量計(jì)算工作具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

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

（1）RIEGL-VZ2000i 在良好的觀測(cè)環(huán)境和測(cè)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(zhǎng)其內(nèi)符合中誤差呈同步增大趨勢(shì)；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(cè)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(jí)。

（2）三維激光掃描測(cè)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(shí)測(cè)2 種不同的方式進(jìn)行礦山數(shù)據(jù)采集和土石方量計(jì)算，結(jié)果顯示二者的相對(duì)誤差為1.00%左右，其精度能夠滿足礦山土石方測(cè)量的需要，將三維激光掃描應(yīng)用于礦山土石方量計(jì)算工作具有工作效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全有保障等優(yōu)勢(shì)。

（4）應(yīng)用長(zhǎng)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(cè)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(duì)長(zhǎng)距離地面三維激光掃描儀的精度評(píng)定和項(xiàng)目生產(chǎn)應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值，不足之處表現(xiàn)在受礦山生產(chǎn)的影響，試驗(yàn)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(duì)不同的目標(biāo)反射面進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)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(duì)掃描測(cè)量結(jié)果的影響作定量研究。