马旭东，张文君，杨元继，刘晨阳，申 锐，何宗翰

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.国家遥感中心绵阳科技城分部，四川 绵阳 621010）

1 三维激光扫描技术概述

1.1 技术原理

基于激光测距原理，通过激光射器向被测对象发出光线，光线抵达物体表面后反射至接收器，由光转换器将反射光线转换为电信号，再将电信号发送至终端件程序进行译码处理，从而获取并记录被测物体表面测点的纹理、三维坐标值及反射率等信息，在程序中快速建立被测对象三维数字模型，完成测绘任务。简单来讲，则是采取激光扫射方式，在三维激光扫描仪与被测对象保持非接触状态下测得物体轮廓集合数据，将数据上传至测绘系统执行数据预处理、提取地面地物、生成等高线等操作，最终输出特定格式的曲面数字化模型。

1.2 技术优势

三维激光扫描技术有着快速性、主动性、数字化、非接触性、高精度与高密度等优势，在矿山地质测绘项目中，与传统单点测量方法相比，三维激光扫描技术优势主要体现在非接触测量、动态检测、数据采样速率高三方面。其一，在非接触测量方面，由于矿山地质测绘项目的测区现场环境较为复杂，如果采取人工测量方法，需要测绘人员抵达测区内全部区域，不但加大了测绘工作量，还将面临着诸多难题。而对三维激光测绘技术的应用，基于技术非接触性特征，测绘人员可以与被测对象保持一段距离，操纵激光扫描仪发射激光回波信号来直接获取被测对象数据信息，数据采集质量不受环境时空约束。其二，在动态检测方面，基于通信手段联通计算机，三维激光扫描仪即时将所采集的空间点位信息与物体表面纹理信息等发送至配套程序软件，同时开展外业数据采集和内业数据处理作业，在短时间内断面体积测量等矿山地质测绘任务，使测绘项目具备动态性、实时性的特征。其三，在数据采样速率方面，采样速率是单位时间内从连续信号中提取和转换为离散信号的采样个数，简单来讲则是单位时间内所采集信号样本数量，采样速率越高，则测绘作业效率与测量精度越高，而三维激光扫描技术的采样速率在数千点/秒至数十万点/秒不等，采样速率远高于人工测量等传统测绘技术。

2 三维激光扫描技术在矿山地质测绘中的应用流程

2.1 地质数据采集

在地质数据采集环节，提前做好实地勘察工作，根据测区现场情况来布设一定数量的测区站点，合理选择站点位置，严格控制站点数量，将扫描测站间距保持在50m以内，测站数量控制在5～30个左右，避免因站点位置选择不当与数量过少而影响到数据采集准确性。同时，根据矿山地质测绘项目要求来选择激光测距方式，常用方式包括脉冲测距法、激光三角法、相位测距法和脉冲-相位式测距法，一般情况下采取脉冲测距法即可，将三维激光扫描仪的采样点速率保持在数千点/秒，必要情况下则采取相位测距法，将采样点速率提升至数十万点/秒。随后，测绘人员在测点搭设与调试设备，按顺序依次完成相机调试、三维激光扫描仪架设、联通计算机、测点参数设置，尽可量在高于控制点的区域架设三维激光扫描仪。最后，操作三维激光扫描仪，依次开展扫面扫描与细节扫描作业，根据测点分布密度、云集密度与扫描仪和目标间距，合理选择扫面时间长度，在一般情况下将每站扫面扫描时间设定为12min即可，如果扫描仪和被测目标间隔距离较远，则适当延长扫面扫描时间。

2.2 数据处理

在数据处理环节，测绘人员使用软件程序，对所接收的被测物体轮廓集合数据执行坐标转换、植被过滤、多站点调整、噪声分隔、三角网与等高线生成、图像匹配等操作，将处理后的数据导入所构建目标模型中，生成特定格式曲面数字化模型，完成矿山地质测绘任务。其中，坐标转换处理为，虽然三维激光扫描仪自身具备GPS系统，但数据采集精度有限，仅能做到对大致方向与坐标的呈现，需要对测量数据加以纠正处理，将其调整至正确坐标。植被过滤处理为，运用全波形数字处理方法，控制激光射线透过测区地表植被来获取地面及地质结构内部的轮廓集合数据，消除地表植被对测绘成果质量造成的影响。多站点调整为，测绘人员使用RiScan Pro等系列软件程序，在程序中导入外业数据，对若干图片加以拼接拟合处理，以此来改善图片平差效果，解决制图接边问题。噪声分隔处理为，对所采集点云数据执行去噪处理，消除或分隔数据中夹杂的噪点，再将处理后的点云数据转换为DEM数字高程模型。三角网与等高线生成为，使得软件程序中所生成图像可以更为清晰、准确的描述测区矿山地质条件，解决点位分布不均、扫描密度过大、信息混乱等实际存在的问题。而图像匹配处理为，将各处站点采集的矿山地质数据经过匹配处理后导入相同坐标系，基于定位系统作用来获取详细地质信息，便于定量分析、目标构模、遥感数据分析和消除噪音等操作的执行。在内业数据处理完毕后，即可编辑矿山地形图，执行空间数据编辑、属性数据编辑、空间实体关系编辑、图廊整饰、邻图接边、等高线图形和地面物体图形匹配等操作，由测绘人员手动修改前期删除的地形数据和缺失等高线，完成测绘任务。

2.3 测绘成果精度评定

在矿山地质测绘项目中，根据实际应用情况来看，受到仪器设备、人为操作、测区现场环境等多方面因素影响，易产生测量误差，测绘结果精度有待提高，这一问题的存在，限制了三维激光扫描技术的推广普及，导致部分项目的测绘成果无法真实、准确反映测区地质条件，缺乏实际参考价值。因此，在应用三维激光扫描技术时，必须做好测绘成果精度评定工作，发现并处理测绘结果的误差部分，而精度评定项目包括平面绝对位置、平面相对位置、地形图地理精度。其一，对平面绝对位置精度的评定，需要采取特征点拟合提取方式，由测绘人员在软件中执行点云切片操作，将切片厚度保持在2cm内，再对切片后的点云数据执行近邻点检索拟合地形特征点操作，并使用鲁棒迭代算法来剔除拟合错误点。其二，对平面相对位置精度的评定，执行点云切片操作，对照分析地形图和点云数据当中的地物边长以及地物点间距，在对比结果基础上开展中误差计算，依照计算结果来判断平面相对位置精度是否达到项目测绘要求。其三，对地形图地理精度的评定，对所获取三维点云数据开展人机交互检查、地形图地理精度和点云数据对比操作，在检查对比过程中，逐项分析地理要素类型与符号使用偏差等情况是否符合项目标准，从而判定地形图地理精度，对精度不达标部位进行重复编辑，如变更地理符号。

3 三维激光扫描技术在矿山地质测绘中的应用形式

3.1 车载激光扫描系统

在矿山地质测绘项目中，车载激光扫描系统由三维激光扫描技术和车载移动测量技术加以组成，有效弥补了三维激光扫描设备移动不便的技术短板，使得测绘效率得到明显提升，可在短时间内完成矿山地质测绘任务，因而车载激光扫描形式逐渐取代了常规的3D激光扫描形式。而车载激光扫描系统与常规三维激光扫描系统的主要区别在于，以车辆为测量平台，在车顶部位安装三维激光扫描仪、摄像机和固定升降设备，在矿山地质测绘期间，测量人员在系统平台上实时下达控制指令，用于调整三维激光扫描设备及摄像头的高度与朝向角度，即时将所采集被测对象轮廓集合数据与视频图像资料上传至内业数据处理软件，视频图像资料起到约束数字模型、优化处理外业采集成果、控制测量误差的作用。

此外，对车载激光扫描系统的应用，虽然可以显著提升矿山地质测绘效率和测量精度，但此类应用形式的适用条件较为严格，要求测区现场地势较为平坦，且因车辆体积所形成的测量盲区不会明显影响到测绘成果质量，如果未满足各项应用条件，则需要在矿山地质测绘项目中采取3D激光扫描仪形式，或是组合应用车载激光扫描与3D激光扫描形式。

3.2 3D激光扫描仪

3D激光扫描仪由扫描仪和支架、电源供应模块等配套结构加以组成，在取消反射棱镜的条件下，通过发射光线与接收反射光束，将激光分成2束，分别用于照射底片与照射被测对象，从而记录被测对象表面密集点信息，高效完成扫描操作，准确获取各点位三维坐标值。与常规测绘技术相比，3D激光扫描仪有着可在非接触条件下获取目标对象数据点、使用面测量方式取代单点测量方式、分辨率与数据采集效率高、可准确描述目标对象立体结构、测量范围大、测点分布规律等优势，且此项技术的适用范围较广，可以在各种测区环境中加以应用。但是，3D激光扫描仪的操作流程较为繁琐，如果所架设3D激光扫描仪未与全部测点保持良好光学通视条件时，需要拆卸3D激光扫描仪与配套设备，将其运至其他站点进行安装、调试与采集外业数据。因此，测绘单位需要加大对三维激光扫描技术的研究力度，将车载三维激光扫描仪和机载激光三维雷达探测作为技术未来发展方向。例如，在3D激光扫描仪系统基础上，组合运用GPS系统和INS惯性导航系统，并在飞行器平台上搭载高分辨率数码相机，使其共同组成光机电一体化的机载激光三维雷达系统，负责快速采集激光点云数据，即时将数据发送至处理软件来获取DOM数字正射影像信息、DEM数字高程模型以及DSM数字表面模型。

4 结语

综上所述，为突破传统测绘技术的局限弊端，更好的完成矿山地质测绘任务，全面提高测绘质量与作业效率。因此，测绘单位应加大对三维激光扫描技术的应用力度，深入了解技术原理、优势与作业流程，建立起完善的三维激光扫描技术应用体系，以推动我国测绘事业的健康、稳步发展。