三维激光扫描测量在露天矿山地质环境治理中的应用

殷齐鲁

（济宁市不动产登记中心，山东 济宁 272000）

由于露天矿山无序开采，带来了一系列的矿山地质环境问题，如破坏土地资源、污染矿区环境、引发地质灾害等。进行矿山地质环境治理时，需要测量高精度的地形图，为工作量计算、规划设计等提供依据[1]。由于矿区的无序开发利用，地形一般比较负责，部分区域形成陡崖，难以抵达，且具有一定的危险性，测量难度极大，使用传统的测量方法难以满足要求[2,3]。随着三维激光扫描技术的快速发展和不断成熟，其在露天矿山地质环境治理测绘中的应用越来越广泛。

1 三维激光扫描测量的原理

三维激光扫描测绘的实质是激光测距技术，测量的过程中，根据预先确定的扫描范围和设定的点云密度，使用扫描镜和伺服马达依次获取测量目标表面上点的三维坐标，从而完成测量工作，具有测量精度高、速度快、无接触、高密度的特点[4]。目前三维激光扫描测量技术受到科技研发和数据采集人员的高度评价，已经在建筑物竣工测量、地形图测绘、三维建模、土方量计算、道路工程测量、古建筑测量等领域得到了广泛的应用。

三维激光扫描测绘实质上是利用扫描镜和伺服马达不断重复的进行数据采集的过程，从获取扫描反射接收的激光强度对扫描点进行颜色灰度的匹配[5]。三维激光扫描仪直接采集的采样点是局部坐标，具体见图1。如图1所示，扫描仪的内部为坐标原点，X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴为扫描仪扫描方向，Z轴为垂向方向。则P点的坐标（Xs、Ys、Zs）计算方法见下式。

图1 三维激光扫描测量原理图

在实际应用中，可以将系统局部坐标转换为测绘工作使用的坐标系。

本项目使用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪，仪器精度指标与性能见表1。

表1 三维激光扫描仪参数指标

2 三维激光扫描测量流程

2.1 三维激光扫描外业数据采集

在露天矿山地质环境治理测绘中，根据测区的实际情况，选择使用基于标靶的点云数据采集方法。并选择合适的测点和标靶，设置扫描点云采样密度、最大测量范围等参数。实际测量中，可以在通视条件相对较好的位置布设反射标靶，在任意位置进行露天矿山地质环境治理三维激光扫描时，同一测站必须同时扫描到三个及以上标靶[6]。扫描结束后，对标靶进行精确扫描，获取标靶的精确几何坐标。最后，利用SDCORS-RTK测量标靶的大地坐标，将获取的点云数据转换到大地坐标系下[7]。

使用三维激光扫描测量时，需要注意检查测量范围不能遗漏，设置标靶时尽可能均匀分布，标靶离三维激光扫描仪的距离要适中，且需要拍摄扫描范围的照片[8]。

2.2 三维激光扫描内业数据处理

三维激光扫描内业数据处理主要包括点云配准、不同测站点云数据的拼接、点云数据的降噪和精简、数据处理与建模、地形图绘制等工作[9]。

首先进行点云配准，利用精扫的标靶点几何坐标，将获取的点云数据配准到同一坐标系中，并进行调整平差；然后进行测站拼接，利用标靶拼接功能进行点云拼接，见图2；点云滤波主要包括点云噪点剔除、植被剔除及点云密度抽稀等；最后进行建模，得到DEM数据，见图3，并通过绘图得到露天矿区地形图。

图2 测站拼接后的点云数据

图3 三维激光扫描获取的DEM数据

2.3 精度检核与分析

使用SDCORS-RTK检核三维激光扫描露天矿山地质环境治理测绘成果的精度，并进行统计分析，共计检核220点，见表2。

表2 标靶平面精度统计表

可以看出，三维激光扫描技术可以满足露天矿山地质环境治理测绘的精度要求。

3 结论

在露天矿山地质环境治理测绘项目中，采用三维激光扫描技术，使用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪，顺利获取了工作区范围的点云数据，经过点云配准、不同测站点云数据的拼接、点云数据的降噪和精简、数据处理与建模、地形图绘制等工作，为矿山地质环境治理提供了基础的测绘数据，极大的方便了治理和设计工作。随着点云数据处理自动化程度的提高，地面三维激光扫描将会得到更加广泛的应用。