基于三维激光的矿山测量技术研究

　　摘 要：该文针对废弃矿山的环境问题，提出采用激光三维测量技术对废弃矿山进行测量，包括规划设计图的绘制、凹坑的识别，论文特别针对坡度较大的峭壁的地形绘制方法进行了改进，提出基于趋势面的地形图绘制，取得很好的效果。 

　　关键词：三维激光测量 矿山 点云 等高线 

　　1 引言 

　　1.1 动机 

　　废弃矿山，即开采结束后，没有及时进行边坡治理、复垦绿化等生态及环境恢复性治理工作的露天矿山。我国目前需要治理的废弃矿山面积达1 500 km2以上，在废弃矿山的生态环境治理中，如何合理利用其中的土地资源，是废弃矿山的治理的一个重大课题。在注重和谐发展、可持续发展的今天，对废弃矿山所造成的环境地质问题要及时解决，避免其发展恶化，造成更大的伤害。 

　　某地10多年前开始开采石矿，经过10多年的开采已经沦为采石废矿，留下多处开山炸石造成的悬崖峭壁。裸露的岩体破坏了山体的自然景色。不仅如此，随着降水、风化等自然因素的影响，地面塌陷、泥石流、崩塌、滑坡、污染等地质灾害时有发生，给当地居民和游客带来严重的危害。为应对废弃矿山的危害，改善当地的环境，政府投资2.5亿元人民币建设公园项目。该项目集历史文化、矿山文化、地质文化及夜间照明等元素为一体，改变废弃矿山的现状，还人们一个安全、美丽的旅游胜地。项目前期是规划设计阶段，主要对整个废矿进行测量，制作规划底图并通过系统科学的实地试验以后进行规划设计。由于测量对象中的主体部分是坡度分布于60°～90°之间的崖壁，传统的地形绘制中对断崖的处理方式不再适用，因此需要研究针对崖壁的地形图表达与绘制方法。 

　　1.2 发展历史 

　　常见的矿山地形测量方法有GPS法以及全站仪法。这两种方法只能进行单点测量，GPS还需要接触测量，不适合具有复杂地形的大比例尺测图。 

　　而近年来兴起的三维激光扫描技术因具有测量速度快、非接触及高精度等特点，成为矿山数字化和大比例尺地形图测绘新的手段。通过大量的尝试和研究，部分学者在将三维激光扫描用于矿山数字化和地图测绘方面取得了一定的成果。刘昌军利用三维激光扫描技术进行矿山复杂地形测量，提出快速过滤方法，并详细介绍通过移动最小二乘法拟合地形表面的DEM方法和采用三次B样条曲线拟合地形等高线方法，以得到矿山数字地形图、DEM数据和等高线等成果。邱贞生采用LiecaHDS Scantation2对福建龙岩马坑铁矿地下采空区进行了3维扫描测量，建立了采空区的三维模型并计算体积。 

　　1.3 项目要求及研究路线 

　　该项目中的露天矿山长3 km，最高处300 m，包含23个矿坑，要提供测区每个开采面的1∶500大比例尺地形图，要求识别开采面上的凹凸形状。其中凹形为坑，凹坑为规划设计中无土植被种植的备选位置。针对坡度大的陡峭岩壁，该项目采用三维激光扫描技术，对测区进行全面的扫描测量。数据采集阶段，采用GPS RTK与激光扫描仪配合的快速直接地理参考技术，解决多站拼接问题。数据处理阶段，点云预处理后，按面型特征进行分割，并采用自定义的投影面进行地形图绘制，解决崖壁的表达与绘制问题；根据相邻等高线差值变化趋势，识别开采面上的凹凸形状。项目主要的技术路线为：GPS控制点的测设、直接地理参考解算、点云数据预处理、点云分割与投影、绘制平面图、识别凹坑。 

　　2 激光扫描数据获取 

　　要获取矿区的完整数据，需要设置多个测站从不同角度进行数据采集。扫描得到的点云定义在测站坐标系下，因此需要将不同测站坐标系下的点云进行统一，即多站拼接。常用的多站拼接方法有标志法和ICP方法。由于矿体陡峭，难以在两站间布设足够个数且分布均匀的标志，因而标志法不适合该矿体的多站测量。矿体中主要的治理对象是开采后形成的矿坑，矿坑纵深很长，对视线的遮挡很严重，导致相邻测站间重叠部分很小甚至没有，因此ICP法也不适合该矿体的多站测量。受矿山开采的影响，山体上植被很少，GPS 能够正常工作，鉴于此，笔者采用GPS RTK测量配合激光扫描仪的直接地理参考的解决方案。 

　　2.1 GPS控制点的测设 

　　根据测量任务的精度需求，该项目采用与CORS站联测的方式测设控制点。接收机通过GPRS获取CORS参考信息求解控制点坐标，点位的平面精度为1～2 cm，高程精度为2 cm。每一个测站单独测量2个控制点，其中P2点为测站点，架设激光扫描仪；P1为后视定向点，架设靶标，如图1所示，考虑到激光扫描仪识别标志的距离以及设站精度，两控制点距离50～80 m为宜。 

　　2.2 直接地理参考解算 

　　将激光扫描仪安置于控制点上，对中整平，并量取仪器高。将反射靶标架设于另一已知点上，对中整平。用扫描仪对标志进行测量得到标志中心在测站坐标系中的坐标，再根据RTK测得的控制点坐标求解地理参考转换参数。 

　　2.3 激光扫描与拍照 

　　直接地理参考解算完成后，根据任务需要设置合适的分辨率，对测区进行扫描测量；然后利用事先与扫描仪标定好的相机进行拍照。由于测区中的崖壁相对高度达到300 m，要求扫描仪的测距范围较大，另外也要求相机的性能要好，成像质量要高。该项目采用的激光扫描仪为RieGL VZ400，相机为NikonD700+20 mm定焦镜头。 

　　3 点云数据预处理 

　　扫描测量一共设置了58个站（有些矿坑较大，设置多站进行测量），扫描点约2亿个，拍摄照片600张。一方面，海量的点云蕴含丰富的地理信息，完整地记录了矿体的实际情况，能够实现全要素的地图绘制和模型重构；另一方面，点云的数据处理相对更加复杂，对计算机的硬件要求也更高。要从海量的数据中提取有用的信息，还需要对其进行预处理，包括滤波、点云简化、点云分割等步骤。 

　　3.1 滤波 

　　在点云的实际测量过程中受到各种人为或环境因素的影响，使得测量结果包含噪声。噪声会影响后续数据处理的时间和质量，因此需要在建模前降低或消除噪声。对于地形测量，主要的噪声为植被等。将地面视为连续曲面，非地面点视为粗差，利用抗差估计原理，通过分块构建点云的趋势面，实现对点云的滤波处理。 

　　3.2 简化 

　　扫描得到的点云数据是海量的，庞大的点云数据对后续处理以及存储、显示、传送等操作带来不便，处理时占用大量计算机资源并花费大量时间。如果直接对点云进行造型处理，大量的数据进行存储和处理也成了不可突破的瓶颈，从数据点生成模型表面要花很长一段时间，整个过程也会变得难以控制。所以对测量的海量数据进行数据简化是十分必要的。该文采用了基于八叉树的简化算法：首先将对象数据进行八叉树分割，考虑地形细节以及数据量，将最小的八叉树方格变长定为10 cm。分割完成后，对于每个方格，采用其中所有点的重心来代替该方格。 

　　3.3 点云分割 

　　整个矿体结构复杂，无法用一张平面图详细地表示。下一步的环境治理需要详细的平面地图，因此需要将矿体的点云进行分割。根据矿体开采工作面的具体情况，将每个矿坑点云进行分割，得到独立的矿坑点云数据。 

　　4 规划地图绘制与识别凹坑 

　　规划平面底图的常规绘制流程为：首先将点云按（X，Y）坐标展点在平面上，然后根据2维坐标构建DENAULY三角网，最后根据高程信息绘制等高线。但由于每个矿坑一般由3面崖壁构成，呈U字形结构，且大部分区域倾角接近90°。若仍然根据2维平面坐标进行展点，大量的点会重合在一起，如图2所示。无法构建正确的三角网和等高线，传统的平面地形图绘制方法不再适用。一种解决方案是根据实际情况将 U形矿坑的每一面崖壁按照不同的坐标平面进行展点。如东面的崖壁可按照xOz平面进行投影，而将Y轴方向的值作为高程值进行地形图绘制。这样做存在两个问题：由于U形矿坑每一面都是倾斜的，而坡度并非90°，因此得到的等高线图中的起伏受坡度的影响，并不能很好地反映表面的起伏情况；每个面与坐标平面存在一定的夹角，同样会影响等高线中的起伏。该文将矿坑分割为多个独立的坑面，针对每一个相对独立的坑面，选择和该面最为一致的平面作为投影平面，然后绘制基于该投影平面的地形图。 

　　4.1 点云分片 

　　对于每个U形矿坑，将其分割为3个面P1、P2、P3。对于个别形状更为复杂的形状，按其形状分割成若干个独立的平面P1，P2，…，Pn。 

　　4.2 确定基准平面 

　　每个面的朝向不一，为较好地反映每个面起伏趋势，要找到一个投影平面能很好地代替整个面的走势，然后以该趋势平面为投影平面，在平面上指定X和Y轴指向，用以约定投影后点的平面坐标；按右手原则确定Z轴，则点到趋势平面的距离为Z坐标。一种简化的方式为首先在待处理崖壁数据上选择3个点，3点分布均匀，形成的平面能较好地代表该面的趋势。根据3点的空间几何关系（由原坐标系下坐标计算得出）赋予3点平面坐标，然后通过公共点坐标转换，使得旋转后有一坐标轴垂直趋势面。以垂直趋势面的坐标轴为 Z轴，建立该面的平面地形图，该方法的缺点是选点不同，得到的结果不同。严格的方式为将坑面数据进行平面拟合，得到准确的趋势面，然后将数据投影到该平面上进行下一步的处理。 

　　4.3 绘制等高线与识别凹坑 

　　坐标转换后，将按照转换后的xOy平面进行展点，构建三角网。然后根据高程信息绘制等高线。等高距为0.1 m，得到的效果如图2所示。由于点云分割得到的面片近似于一个平面，在坐标转换后，得到的等高线图的能够清楚地显示面壁的起伏情况。对于图上每一组等高线，根据相邻两条线的高程值判定该处为凹坑还是凸包。 

　　5 结语 

　　该文介绍了将三维激光扫描仪用于矿山治理，包括规划设计图的绘制、凹坑的识别。特别针对坡度较大的峭壁的地形绘制方法进行了改进，提出基于趋势面的地形图绘制，取得很好的效果。目前投资2.5亿元的公园项目已通过规划评审，近期将开工建设。在实际的工作中也发现一些需要改进的地方：由于岩壁陡峭，高处无法进行近距离扫描，特别是一些突出物的遮挡，造成数据空洞，在预处理时并未很好地解决，只能事后人工补救；矿壁上有大量裂缝，对规划设计具有重要作用，但由于点云分辨率问题，难以识别远处的细小缝隙；项目还考虑定焦相机与点云结合的方式识别裂缝，近距离效果较好，但随着距离的变大，精度与可靠性迅速降低，若采用长变焦相机进行测量，图像与点云的标定又成为一个问题，因此最后牺牲效率，仍采用传统地质测量中裂缝的测量方式进行采集。 

　　参考文献 

　　[1] 段奇三.徕卡HDS8800三维激光扫描仪在露天矿中的应用[J].测绘通报，2011（12）：79-80. 

　　[2] 崔晓荣，陆华，叶图强，等.三维空区自动扫描系统在露天矿山中的应用[J].有色金属，2012（3）：8-10. 

　　[3] 过江，古德生，罗周全.金属矿山采空区3D激光探测新技术[J].矿冶工程，2006，26（5）：16-19.