三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

陳兆良，劉 偉

（江西有色地質(zhì)測繪院，江西 新余 338000）

在社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，三維激光掃描技術(shù)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其在礦山生產(chǎn)活動中體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，可幫助工作人員更好地完成礦山邊坡變形監(jiān)測工作，為礦山安全生產(chǎn)管理提供可靠依據(jù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)體現(xiàn)出數(shù)據(jù)采樣率高、環(huán)境適應(yīng)性高、立體性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可滿足礦山邊坡變形監(jiān)測的需求，使監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性得到保障。通過深入分析三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)，探究三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用，有利于提出一些可靠的參考依據(jù)，促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的有效應(yīng)用。

1 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)分析

1.1 數(shù)據(jù)采樣率高

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的時(shí)候，經(jīng)常使用脈沖掃描儀進(jìn)行測量，這一設(shè)備的測量速度較高，可達(dá)到每秒5萬點(diǎn)。同時(shí)，該技術(shù)采用的相位式掃描儀能達(dá)到?jīng)]秒120萬點(diǎn)的測量速度，突出了單點(diǎn)模式能對物體空間信息進(jìn)行全方位采集[1]。

1.2 環(huán)境適應(yīng)性高

一般在工程測量活動時(shí)，都選擇無線傳輸?shù)姆绞綄Λ@取的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這一過程必須考慮到氣候及其他外部因素產(chǎn)生的影響，無線傳輸自身的信號延遲和不穩(wěn)定性也是影響信息傳輸?shù)闹匾蛩?。而三維激光掃描技術(shù)能解決這些問題，可充分適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜性，對信息傳輸?shù)难舆t問題進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)信號干擾、信號傳輸丟失等情況。

1.3 立體性

三維激光掃描技術(shù)體現(xiàn)出較強(qiáng)的立體性，可獲得立體的測繪數(shù)據(jù)，能對邊坡整體情況進(jìn)行全面了解。在傳統(tǒng)的測繪工作中，測繪人員只能獲得平面二維的測繪圖形，必須與其他地面測繪相結(jié)合，才能得到立體的測繪數(shù)據(jù)，這一過程存在測繪誤差大、測繪工作慢等情況。但是在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，可在各個(gè)位置進(jìn)行標(biāo)靶設(shè)置，通過測量測繪，獲得立體的測繪數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)評估，對礦山邊坡變形的實(shí)際情況及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，制定合理的解決辦法。

1.4 穩(wěn)定性

三維激光掃描技術(shù)體現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性，將設(shè)定好的標(biāo)靶作為基點(diǎn)，對各個(gè)區(qū)域進(jìn)行測繪測量，獲得精確、完整的測繪圖像[2]。三維激光掃描技術(shù)的操作示意圖如下所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)的操作示意圖

2 三維激光掃描的工作流程分析

根據(jù)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用情況分析，其工作流程分為前期準(zhǔn)備、標(biāo)靶、測站設(shè)計(jì)、掃描作業(yè)、數(shù)據(jù)分析及測繪、結(jié)果評估等多個(gè)部分，需要掌握規(guī)范地工作流程才能促進(jìn)各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行[3]?？傮w而言，三維激光掃描的具體工作流程如下：

（1）前期準(zhǔn)備。良好的準(zhǔn)備工作是保證后續(xù)工作得以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，其主要內(nèi)容為測量目標(biāo)的設(shè)定、測量區(qū)域的規(guī)劃、測量基站的規(guī)劃、測量設(shè)備的購置等。同時(shí)，需要做好設(shè)備檢測，保證測量設(shè)備處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）標(biāo)靶?？稍诘V山邊坡的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)靶設(shè)置，利用三維激光掃描設(shè)備中的坐標(biāo)系對其進(jìn)行調(diào)整，方便對標(biāo)靶進(jìn)行識別和應(yīng)用。對于標(biāo)靶的設(shè)置，不能在同一直線上進(jìn)行多個(gè)標(biāo)靶的設(shè)置，且需要考慮遮擋物產(chǎn)生的影響。

（3）測站設(shè)計(jì)。一個(gè)站臺的輻射范圍中需要設(shè)置3個(gè)或3個(gè)以上的不同坐標(biāo)標(biāo)靶，對臺站間的測量數(shù)據(jù)連接質(zhì)量進(jìn)行提升。

（4）掃描作業(yè)。以測站位置為依據(jù)，做好設(shè)備掃描、換站掃描和參數(shù)校準(zhǔn)工作，且保證在間隔測站之間的儀器掃描分辨率的相同，減少數(shù)據(jù)差異，實(shí)現(xiàn)良好的圖像銜接和測量效果。

（5）數(shù)據(jù)分析及測繪。在掃描工作中做好測量數(shù)據(jù)分析，完成數(shù)據(jù)和坐標(biāo)校準(zhǔn)工作。

（6）結(jié)果評估。在全周期的測量工作中，做好監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估及分析，對礦山邊坡變形情況進(jìn)行判斷，結(jié)合邊坡變形監(jiān)測的工作需要，調(diào)整標(biāo)靶位置，并出具監(jiān)測結(jié)果。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用方法分析

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到礦山邊坡變形監(jiān)測中需嚴(yán)格做好外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，掌握礦山邊坡的地理位置，借助三維掃描儀器對監(jiān)測對象進(jìn)行掃描。在三維掃描儀器的運(yùn)行過程中，其數(shù)據(jù)掃描應(yīng)做到逐站進(jìn)行，且整個(gè)過程應(yīng)選擇“分站-分景”的方式完成數(shù)據(jù)掃描，以獲得自身需要的信息數(shù)據(jù)。具體而言，在坡體的上、中、下等位置進(jìn)行分站的建設(shè)，利用“圓形區(qū)域”對每個(gè)分站進(jìn)行掃描。同時(shí)，在借助三維掃描儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描時(shí)，不能直接使用三維激光獲得數(shù)據(jù)信息，必須先做好數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，將其中存在誤差的信息數(shù)據(jù)清除，以便能為DME模型的構(gòu)建提供準(zhǔn)確、可靠的信息數(shù)據(jù)[4]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在完成數(shù)據(jù)采集后，應(yīng)嚴(yán)格做好數(shù)據(jù)處理，確保數(shù)據(jù)處理的各個(gè)環(huán)節(jié)符合要求，避免因考慮不足造成數(shù)據(jù)誤差。就實(shí)際情況分析，數(shù)據(jù)處理需要通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、各景掃描數(shù)據(jù)絕對定位及拼接、坡體DEM模型生成等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)完成，具體如下：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配。這一環(huán)節(jié)的主要目的就是采用“標(biāo)志點(diǎn)匹配法”等對“點(diǎn)云坐標(biāo)”進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為“大地坐標(biāo)”。第一，將空間坐標(biāo)和距離值作為依據(jù)，對坡體第一幅點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)的集合進(jìn)行處理，并做好動態(tài)化的分層劃分，使其成為多層嵌套。第二，基準(zhǔn)為坡體第一幅點(diǎn)云，將其與坡體第二幅點(diǎn)云的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行匹配，且點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)匹配時(shí)考慮運(yùn)動規(guī)律預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)采集區(qū)域，利用“區(qū)域數(shù)據(jù)匹配法”將處理后數(shù)據(jù)引入對應(yīng)的數(shù)據(jù)層，并做好預(yù)測估計(jì)，根據(jù)具體情況進(jìn)行數(shù)據(jù)層的修改，使其能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

（2）各景掃描數(shù)據(jù)絕對定位拼接。各個(gè)分站位置原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系坐標(biāo)被稱為點(diǎn)云坐標(biāo)，那么在坡體DEM模型的構(gòu)建中，必須在同一坐標(biāo)的情況下呈現(xiàn)出各景點(diǎn)云坐標(biāo)。將實(shí)測位置的原則落實(shí)，在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行各坐標(biāo)系的分景點(diǎn)云數(shù)據(jù)的描述，形成完整的三維物體，這一環(huán)節(jié)即是多視點(diǎn)云拼接。一般在數(shù)據(jù)處理中，普遍都是采用ICP算法和標(biāo)定物拼接，完成點(diǎn)云拼接的工作。其中ICP算法體現(xiàn)出操作簡單、精確性高等特點(diǎn)，還可以無反射體的形式進(jìn)行掃描，但是必須考慮到耗費(fèi)時(shí)間較多是迭代過程中常見的問題。而標(biāo)定物拼接體現(xiàn)出較高的效率，只需解一組線性方程組，然而精確率不足是這一方法的主要缺陷。因此，需根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行合理選用，做好相應(yīng)的控制管理[5]。

（3）坡體DEM模型生成。采用CYCLONE軟件等現(xiàn)代化手段進(jìn)行坡體DEM模型構(gòu)建，將軟件具有的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能充分發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)掃描格式IMP轉(zhuǎn)化為用戶需求格式IMP。同時(shí)，任意一個(gè)時(shí)間段的DEM應(yīng)利用坐標(biāo)完成統(tǒng)一描述，使其能在同個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中呈現(xiàn)，可選擇求差的方法客觀分析礦山邊坡的變形。在同水平坐標(biāo)點(diǎn)的高程出現(xiàn)變化后，依據(jù)初始化的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做好后面DEM的內(nèi)插計(jì)算，確認(rèn)坡體的變化程度。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，需要提高對三維激光掃描技術(shù)的掌握程度，將其合理應(yīng)用到邊坡的變形監(jiān)測中，幫助工作人員處理邊坡變形的隱患，改善礦山生產(chǎn)的環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)礦山生產(chǎn)企業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。