束立勇

（鹽城市海域使用動態(tài)監(jiān)管中心，江蘇 鹽城 224002）

伴隨資源不斷有效開發(fā)和利用，礦山這項資源正越來越少?？茖W合理的管理和集約化利用現(xiàn)已成為當前礦山實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的關(guān)鍵工作。建立數(shù)字礦山在很早就成為信息化管理工作重要措施，也是不斷推動發(fā)展的重要支撐。三維激光掃描的測量方式以非接觸式為主，采用高速激光進行，在環(huán)境和條件復雜的現(xiàn)場及空間對目標實施快速掃描與測量，以此獲取目標接收激光的具體方向、斜距與天頂距，并確定激光的反射強度，對所得數(shù)據(jù)進行自動存儲，同時根據(jù)要求進行計算，最終得到符合要求的點云數(shù)據(jù)。利用計算機對點云數(shù)據(jù)進行分析處理后，可以很快的速度完成三維模型的構(gòu)建，并提高靈活性，為測量的實施提供方便。

1 概述

礦山地形條件大多十分復雜，利用傳統(tǒng)測量方式，如GPS與全站儀，很難實現(xiàn)高精度要求，而且測繪效率差，費時費力。近幾年快速興起和發(fā)展的采用三維激光掃描進行地形測量的新技術(shù)，能為實際的礦山地形測量工作提供有效解決手段。然而，對采用這項技術(shù)得到的數(shù)據(jù)，怎樣才能快速完成分析處理，并根據(jù)分析處理結(jié)果進行地形圖繪制，是現(xiàn)在必須重視和解決的關(guān)鍵問題。對此，在充分考慮相關(guān)測量經(jīng)驗的基礎上，圍繞礦山地形測量工作主要特點及難點，需要分析并提出一套合理可行的基于激光掃描的流程及方法，同時這一工作流程需要包含野外測量、數(shù)據(jù)分析和處理以及快速成圖三個基本內(nèi)容。其中，在野外測量過程中，應考慮將GPS與三維激光測量兩者進行充分結(jié)合；在數(shù)據(jù)的分析處理過程中，應重視坐標轉(zhuǎn)換與拼接以及非地面點自動過濾，以便生成需要的等高線或是DEM；而在快速成圖過程中，要滿足多個比例尺成圖要求，并盡可能加快成圖的速度。根據(jù)上述基本流程和方法，需要用到合適的軟件編程語言，如IDL等，據(jù)此編制適應礦山地形測量工作的軟件。這一軟件的合理應用，既能對非地面點實施自動過濾，還能實現(xiàn)快速成圖，為成圖提供可靠的參考依據(jù)。

2 三維激光地形測量

（1）基本原理。三維激光地形測量由于能獲取大量的坐標數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的準確度高、數(shù)據(jù)掃描快，在近幾年得到了十分廣泛的應用，在很多行業(yè)都會用到。對于三維激光掃描，其掃描系統(tǒng)主要由激光測距裝置與反射棱鏡兩部分組成。其中，激光測距裝置能主動發(fā)出激光，同時對從目標上反射產(chǎn)生的信號予以接收，以此完成測距。對任何掃描點都能測出斜距，通過水平與垂直兩個方向上的掃描，還能得出測站和掃描點位之間的坐標差，如果測站三維坐標為已知值，則可直接獲得掃描點對應的三維坐標。這一掃描裝置的最大掃描距離可以達到1km左右，在最遠距離條件下，測量精度在±10mm左右，總測量精度在±5mm左右，在水平方向上，可實現(xiàn)全角度掃描，而垂直方向的掃描范圍只有0°～80°[1]。

（2）坐標轉(zhuǎn)換及拼接。通過三維激光測量得到的相關(guān)數(shù)據(jù)是與儀器自身數(shù)據(jù)相對而言的。根據(jù)實測數(shù)據(jù)測繪地形圖時，應對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。而借助GPS與掃描裝置能完成對坐標的多種轉(zhuǎn)換。測量的基本原理為：借助GPS獲取各類空間坐標，并利用掃描裝置獲取相對坐標，利用公共坐標對坐標進行轉(zhuǎn)換處理。這一方法在地形測量工作中十分適用，能明顯加快測量的速度，同時提高拼接精度。

（3）快速過濾。得到激光點云后，怎樣以較快的速度獲取所有地面點數(shù)據(jù)，是地形測量及計算工作的重難點。為有效解決這一實際問題，可采用快速過濾方法。首先，對激光點云進行分塊，同時在確定空間索引關(guān)系以后，對所有非地面點實施自動過濾。對于濾波，應充分考慮存點在所在網(wǎng)格，同時對其予以準確計算，通過計算得到的結(jié)果通過索引進行動態(tài)存儲，為后續(xù)迭代計算提供準確的基礎數(shù)據(jù)[2]。

3 基本流程和軟件開發(fā)

（1）基本流程。采用激光掃描進行礦山地形綜合測量時，主要完成以下三個步驟：第一步為野外測量；第二步為資料整理和分析；第三步為快速成圖。其中，對于野外測量，主要包含下列內(nèi)容：激光掃描操作、設置反射片、利用GPS技術(shù)進行測量；對于資料整理和分析，主要包含下列內(nèi)容：坐標相互轉(zhuǎn)換、非地面點的自動過濾、DEM建立；對于快速成圖，主要包含高線與地物等的快速成圖。

（2）軟件開發(fā)。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理與快速成圖目標，可利用IDL等工具編制以海量數(shù)據(jù)為基礎的對礦山地形進行快速處理的專門軟件，即LIDARVIEW。其中，IDL是直接面向于矩陣，具有語法簡單等特征的可視化編程語言，能在所有領域中使用，實現(xiàn)包含數(shù)據(jù)讀取和計算、三維建模等在內(nèi)的功能。由于這一編程語言直接面向于矩陣，所以能對大量數(shù)據(jù)進行快速分析和處理，這一點在三維掃描測量領域是十分重要的。該軟件系統(tǒng)主要包含以下幾個模塊：①激光點云處理；②地表；③繪制，包括等高線及地物；④制圖輸出。其中，模塊①能對點云進行刪除、合成、過濾及抽??；模塊②可生成與地表有關(guān)的DEM數(shù)據(jù)與等高線；模塊③具備對等高線和所有地物進行快速測繪的重要功能；模塊④則對每一種比例尺的地形圖進行輸出。除此之外，在復雜計算過程中，這一軟件還能提供額外的計算模塊，保證計算效率和準確性。

4 某礦山地形測量對三維激光掃描的實際應用

（1）野外資料獲取。該礦山的總面積在8000m2左右，礦坑的總面積在6000m2左右，屬人為采石場，具有面積較大、地形相對復雜和植被很少等特點。對此，經(jīng)研究決定采用LMS-420I型三維激光掃描裝置與GPS裝置對礦山實施激光測量。為保證測量工作順利完成，安排2人負責野外工作，工作持續(xù)2d，總掃描面積應與礦山總面積相同。在野外測量中，共掃描19個站，得出精度不低于±5cm的共30余萬個坐標。單站測量過程中，設置五個觀測反射片，同時利用GPS得到中心點對應的大地坐標。

（2）數(shù)據(jù)分析整理和地形圖的測繪。向上述提到的LIDARVIEW中輸入通過三維掃描得到的所有激光點云數(shù)據(jù)，然后利用這一軟件先后進行坐標轉(zhuǎn)換及多站拼接，對非地面點進行自動過濾后，得到相應的地表數(shù)據(jù)，生成礦山等高線圖及DEM。在室內(nèi)對數(shù)據(jù)進行處理時，需要消耗1h左右的時間。

5 結(jié)語

綜上所述，提出一套借助激光掃描對礦山范圍內(nèi)復雜的地形條件進行測量的基本流程和方法，并提出非地面點的過濾技術(shù)、DEM數(shù)據(jù)擬合與等高線的擬合方法。針對數(shù)據(jù)分析處理這一重難點，設計出以激光掃描數(shù)據(jù)為基礎的專門軟件，即LIDARVIEW，同時充分利用這一軟件結(jié)合所有激光點云數(shù)據(jù)繪制地形圖等想要的成果。