基于三維激光的礦山測量技術(shù)研究

呂代和

摘 要：該文針對廢棄礦山的環(huán)境問題，提出采用激光三維測量技術(shù)對廢棄礦山進(jìn)行測量，包括規(guī)劃設(shè)計(jì)圖的繪制、凹坑的識別，論文特別針對坡度較大的峭壁的地形繪制方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于趨勢面的地形圖繪制，取得很好的效果。

關(guān)鍵詞：三維激光測量 礦山 點(diǎn)云 等高線

中圖分類號：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0064-03

1 引言

1.1 動(dòng)機(jī)

廢棄礦山，即開采結(jié)束后，沒有及時(shí)進(jìn)行邊坡治理、復(fù)墾綠化等生態(tài)及環(huán)境恢復(fù)性治理工作的露天礦山。我國目前需要治理的廢棄礦山面積達(dá)1 500 km2以上，在廢棄礦山的生態(tài)環(huán)境治理中，如何合理利用其中的土地資源，是廢棄礦山的治理的一個(gè)重大課題。在注重和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的今天，對廢棄礦山所造成的環(huán)境地質(zhì)問題要及時(shí)解決，避免其發(fā)展惡化，造成更大的傷害。

某地10多年前開始開采石礦，經(jīng)過10多年的開采已經(jīng)淪為采石廢礦，留下多處開山炸石造成的懸崖峭壁。裸露的巖體破壞了山體的自然景色。不僅如此，隨著降水、風(fēng)化等自然因素的影響，地面塌陷、泥石流、崩塌、滑坡、污染等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰蛶韲?yán)重的危害。為應(yīng)對廢棄礦山的危害，改善當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，政府投資2.5億元人民幣建設(shè)公園項(xiàng)目。該項(xiàng)目集歷史文化、礦山文化、地質(zhì)文化及夜間照明等元素為一體，改變廢棄礦山的現(xiàn)狀，還人們一個(gè)安全、美麗的旅游勝地。項(xiàng)目前期是規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，主要對整個(gè)廢礦進(jìn)行測量，制作規(guī)劃底圖并通過系統(tǒng)科學(xué)的實(shí)地試驗(yàn)以后進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。由于測量對象中的主體部分是坡度分布于60°～90°之間的崖壁，傳統(tǒng)的地形繪制中對斷崖的處理方式不再適用，因此需要研究針對崖壁的地形圖表達(dá)與繪制方法。

1.2 發(fā)展歷史

常見的礦山地形測量方法有GPS法以及全站儀法。這兩種方法只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，GPS還需要接觸測量，不適合具有復(fù)雜地形的大比例尺測圖。

而近年來興起的三維激光掃描技術(shù)因具有測量速度快、非接觸及高精度等特點(diǎn)，成為礦山數(shù)字化和大比例尺地形圖測繪新的手段。通過大量的嘗試和研究，部分學(xué)者在將三維激光掃描用于礦山數(shù)字化和地圖測繪方面取得了一定的成果。劉昌軍利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行礦山復(fù)雜地形測量，提出快速過濾方法，并詳細(xì)介紹通過移動(dòng)最小二乘法擬合地形表面的DEM方法和采用三次B樣條曲線擬合地形等高線方法，以得到礦山數(shù)字地形圖、DEM數(shù)據(jù)和等高線等成果。邱貞生采用LiecaHDS Scantation2對福建龍巖馬坑鐵礦地下采空區(qū)進(jìn)行了3維掃描測量，建立了采空區(qū)的三維模型并計(jì)算體積。

1.3 項(xiàng)目要求及研究路線

該項(xiàng)目中的露天礦山長3 km，最高處300 m，包含23個(gè)礦坑，要提供測區(qū)每個(gè)開采面的1∶500大比例尺地形圖，要求識別開采面上的凹凸形狀。其中凹形為坑，凹坑為規(guī)劃設(shè)計(jì)中無土植被種植的備選位置。針對坡度大的陡峭巖壁，該項(xiàng)目采用三維激光掃描技術(shù)，對測區(qū)進(jìn)行全面的掃描測量。數(shù)據(jù)采集階段，采用GPS RTK與激光掃描儀配合的快速直接地理參考技術(shù)，解決多站拼接問題。數(shù)據(jù)處理階段，點(diǎn)云預(yù)處理后，按面型特征進(jìn)行分割，并采用自定義的投影面進(jìn)行地形圖繪制，解決崖壁的表達(dá)與繪制問題；根據(jù)相鄰等高線差值變化趨勢，識別開采面上的凹凸形狀。項(xiàng)目主要的技術(shù)路線為：GPS控制點(diǎn)的測設(shè)、直接地理參考解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分割與投影、繪制平面圖、識別凹坑。

2 激光掃描數(shù)據(jù)獲取

要獲取礦區(qū)的完整數(shù)據(jù)，需要設(shè)置多個(gè)測站從不同角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。掃描得到的點(diǎn)云定義在測站坐標(biāo)系下，因此需要將不同測站坐標(biāo)系下的點(diǎn)云進(jìn)行統(tǒng)一，即多站拼接。常用的多站拼接方法有標(biāo)志法和ICP方法。由于礦體陡峭，難以在兩站間布設(shè)足夠個(gè)數(shù)且分布均勻的標(biāo)志，因而標(biāo)志法不適合該礦體的多站測量。礦體中主要的治理對象是開采后形成的礦坑，礦坑縱深很長，對視線的遮擋很嚴(yán)重，導(dǎo)致相鄰測站間重疊部分很小甚至沒有，因此ICP法也不適合該礦體的多站測量。受礦山開采的影響，山體上植被很少，GPS 能夠正常工作，鑒于此，筆者采用GPS RTK測量配合激光掃描儀的直接地理參考的解決方案。

2.1 GPS控制點(diǎn)的測設(shè)

根據(jù)測量任務(wù)的精度需求，該項(xiàng)目采用與CORS站聯(lián)測的方式測設(shè)控制點(diǎn)。接收機(jī)通過GPRS獲取CORS參考信息求解控制點(diǎn)坐標(biāo)，點(diǎn)位的平面精度為1～2 cm，高程精度為2 cm。每一個(gè)測站單獨(dú)測量2個(gè)控制點(diǎn)，其中P2點(diǎn)為測站點(diǎn)，架設(shè)激光掃描儀；P1為后視定向點(diǎn)，架設(shè)靶標(biāo)，如圖1所示，考慮到激光掃描儀識別標(biāo)志的距離以及設(shè)站精度，兩控制點(diǎn)距離50～80 m為宜。

2.2 直接地理參考解算

將激光掃描儀安置于控制點(diǎn)上，對中整平，并量取儀器高。將反射靶標(biāo)架設(shè)于另一已知點(diǎn)上，對中整平。用掃描儀對標(biāo)志進(jìn)行測量得到標(biāo)志中心在測站坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再根據(jù)RTK測得的控制點(diǎn)坐標(biāo)求解地理參考轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.3 激光掃描與拍照

直接地理參考解算完成后，根據(jù)任務(wù)需要設(shè)置合適的分辨率，對測區(qū)進(jìn)行掃描測量；然后利用事先與掃描儀標(biāo)定好的相機(jī)進(jìn)行拍照。由于測區(qū)中的崖壁相對高度達(dá)到300 m，要求掃描儀的測距范圍較大，另外也要求相機(jī)的性能要好，成像質(zhì)量要高。該項(xiàng)目采用的激光掃描儀為RieGL VZ400，相機(jī)為NikonD700+20 mm定焦鏡頭。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描測量一共設(shè)置了58個(gè)站（有些礦坑較大，設(shè)置多站進(jìn)行測量），掃描點(diǎn)約2億個(gè)，拍攝照片600張。一方面，海量的點(diǎn)云蘊(yùn)含豐富的地理信息，完整地記錄了礦體的實(shí)際情況，能夠?qū)崿F(xiàn)全要素的地圖繪制和模型重構(gòu)；另一方面，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理相對更加復(fù)雜，對計(jì)算機(jī)的硬件要求也更高。要從海量的數(shù)據(jù)中提取有用的信息，還需要對其進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波、點(diǎn)云簡化、點(diǎn)云分割等步驟。

3.1 濾波

在點(diǎn)云的實(shí)際測量過程中受到各種人為或環(huán)境因素的影響，使得測量結(jié)果包含噪聲。噪聲會(huì)影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間和質(zhì)量，因此需要在建模前降低或消除噪聲。對于地形測量，主要的噪聲為植被等。將地面視為連續(xù)曲面，非地面點(diǎn)視為粗差，利用抗差估計(jì)原理，通過分塊構(gòu)建點(diǎn)云的趨勢面，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云的濾波處理。

3.2 簡化

掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量的，龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對后續(xù)處理以及存儲、顯示、傳送等操作帶來不便，處理時(shí)占用大量計(jì)算機(jī)資源并花費(fèi)大量時(shí)間。如果直接對點(diǎn)云進(jìn)行造型處理，大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理也成了不可突破的瓶頸，從數(shù)據(jù)點(diǎn)生成模型表面要花很長一段時(shí)間，整個(gè)過程也會(huì)變得難以控制。所以對測量的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化是十分必要的。該文采用了基于八叉樹的簡化算法：首先將對象數(shù)據(jù)進(jìn)行八叉樹分割，考慮地形細(xì)節(jié)以及數(shù)據(jù)量，將最小的八叉樹方格變長定為10 cm。分割完成后，對于每個(gè)方格，采用其中所有點(diǎn)的重心來代替該方格。

3.3 點(diǎn)云分割

整個(gè)礦體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法用一張平面圖詳細(xì)地表示。下一步的環(huán)境治理需要詳細(xì)的平面地圖，因此需要將礦體的點(diǎn)云進(jìn)行分割。根據(jù)礦體開采工作面的具體情況，將每個(gè)礦坑點(diǎn)云進(jìn)行分割，得到獨(dú)立的礦坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 規(guī)劃地圖繪制與識別凹坑

規(guī)劃平面底圖的常規(guī)繪制流程為：首先將點(diǎn)云按（X，Y）坐標(biāo)展點(diǎn)在平面上，然后根據(jù)2維坐標(biāo)構(gòu)建DENAULY三角網(wǎng)，最后根據(jù)高程信息繪制等高線。但由于每個(gè)礦坑一般由3面崖壁構(gòu)成，呈U字形結(jié)構(gòu)，且大部分區(qū)域傾角接近90°。若仍然根據(jù)2維平面坐標(biāo)進(jìn)行展點(diǎn)，大量的點(diǎn)會(huì)重合在一起，如圖2所示。無法構(gòu)建正確的三角網(wǎng)和等高線，傳統(tǒng)的平面地形圖繪制方法不再適用。一種解決方案是根據(jù)實(shí)際情況將 U形礦坑的每一面崖壁按照不同的坐標(biāo)平面進(jìn)行展點(diǎn)。如東面的崖壁可按照xOz平面進(jìn)行投影，而將Y軸方向的值作為高程值進(jìn)行地形圖繪制。這樣做存在兩個(gè)問題：由于U形礦坑每一面都是傾斜的，而坡度并非90°，因此得到的等高線圖中的起伏受坡度的影響，并不能很好地反映表面的起伏情況；每個(gè)面與坐標(biāo)平面存在一定的夾角，同樣會(huì)影響等高線中的起伏。該文將礦坑分割為多個(gè)獨(dú)立的坑面，針對每一個(gè)相對獨(dú)立的坑面，選擇和該面最為一致的平面作為投影平面，然后繪制基于該投影平面的地形圖。

4.1 點(diǎn)云分片

對于每個(gè)U形礦坑，將其分割為3個(gè)面P1、P2、P3。對于個(gè)別形狀更為復(fù)雜的形狀，按其形狀分割成若干個(gè)獨(dú)立的平面P1，P2，…，Pn。

4.2 確定基準(zhǔn)平面

每個(gè)面的朝向不一，為較好地反映每個(gè)面起伏趨勢，要找到一個(gè)投影平面能很好地代替整個(gè)面的走勢，然后以該趨勢平面為投影平面，在平面上指定X和Y軸指向，用以約定投影后點(diǎn)的平面坐標(biāo)；按右手原則確定Z軸，則點(diǎn)到趨勢平面的距離為Z坐標(biāo)。一種簡化的方式為首先在待處理崖壁數(shù)據(jù)上選擇3個(gè)點(diǎn)，3點(diǎn)分布均勻，形成的平面能較好地代表該面的趨勢。根據(jù)3點(diǎn)的空間幾何關(guān)系（由原坐標(biāo)系下坐標(biāo)計(jì)算得出）賦予3點(diǎn)平面坐標(biāo)，然后通過公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使得旋轉(zhuǎn)后有一坐標(biāo)軸垂直趨勢面。以垂直趨勢面的坐標(biāo)軸為 Z軸，建立該面的平面地形圖，該方法的缺點(diǎn)是選點(diǎn)不同，得到的結(jié)果不同。嚴(yán)格的方式為將坑面數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，得到準(zhǔn)確的趨勢面，然后將數(shù)據(jù)投影到該平面上進(jìn)行下一步的處理。

4.3 繪制等高線與識別凹坑

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，將按照轉(zhuǎn)換后的xOy平面進(jìn)行展點(diǎn)，構(gòu)建三角網(wǎng)。然后根據(jù)高程信息繪制等高線。等高距為0.1 m，得到的效果如圖2所示。由于點(diǎn)云分割得到的面片近似于一個(gè)平面，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，得到的等高線圖的能夠清楚地顯示面壁的起伏情況。對于圖上每一組等高線，根據(jù)相鄰兩條線的高程值判定該處為凹坑還是凸包。

5 結(jié)語

該文介紹了將三維激光掃描儀用于礦山治理，包括規(guī)劃設(shè)計(jì)圖的繪制、凹坑的識別。特別針對坡度較大的峭壁的地形繪制方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于趨勢面的地形圖繪制，取得很好的效果。目前投資2.5億元的公園項(xiàng)目已通過規(guī)劃評審，近期將開工建設(shè)。在實(shí)際的工作中也發(fā)現(xiàn)一些需要改進(jìn)的地方：由于巖壁陡峭，高處無法進(jìn)行近距離掃描，特別是一些突出物的遮擋，造成數(shù)據(jù)空洞，在預(yù)處理時(shí)并未很好地解決，只能事后人工補(bǔ)救；礦壁上有大量裂縫，對規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要作用，但由于點(diǎn)云分辨率問題，難以識別遠(yuǎn)處的細(xì)小縫隙；項(xiàng)目還考慮定焦相機(jī)與點(diǎn)云結(jié)合的方式識別裂縫，近距離效果較好，但隨著距離的變大，精度與可靠性迅速降低，若采用長變焦相機(jī)進(jìn)行測量，圖像與點(diǎn)云的標(biāo)定又成為一個(gè)問題，因此最后犧牲效率，仍采用傳統(tǒng)地質(zhì)測量中裂縫的測量方式進(jìn)行采集。

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