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摘要：三维激光扫描技术是一种先进的全自动获取目标空间点信息的方法，具有数据获取快速、精度高、主动性强、全数字特征等优势。基于露天矿地形复杂，工作人员难以到达，安全隐患高等特点，运用三维激光扫描技术进行露天矿地形测量，是目前露天矿地形测量最有效、最经济、最安全的技术手段。
关键词：三维激光扫描技术；露天矿地形测量
1.引言
三维激光扫描技术是近年来发展迅猛的一项新技术。三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，具有数据获取速度快，实时性强；数据量大，精度高；主动性强，全天候工作；全数字特征，信息传输、加工、表达容易等优势。凡在视野范围内的目标，都可采集到其三维坐标，通过把三维激光扫描技术引入到露天矿的测量当中，可以节省劳动力，提高工作效率，并大大减小安全事故的发生。
2.三维激光扫描系统的工作原理
三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、系统软件、电源以及附属设备构成。本次项目使用奥地利Riegl公司生产的VZ-400地面脉冲式混合型三维激光扫描系统，该扫描仪采用高精度的激光测距技术结合多回波接收和实时波形数字化分析技术，提高了仪器的数据获取能力，与传统的一次发射仅能接收一个回波脉冲技术相比，它可以探测到多重目标、详尽的描述物体细节，并可以滤除植被和行人车辆对扫描过程的干扰。
3.三维激光扫描技术相比传统测量技术具有的优点
三维激光扫描技术具有很多的优点，它与传统测量技术相比优点主要集中在如下几个方面：
3.1.1非接触测量
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
3.1.2数据采样率高
目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数千点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以企及的。
3.1.3主动发射扫描光源
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源（激光），通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以实现不受扫描环境时间和空间的约束。
3.1.4具有高分辨率、高精度的特点
三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。
3.1.5数字化采集，兼容性好
由于三维激光扫描技术具有很高的数字化水平，可以将采集到的信息直接转变成数字信号，这些数字信号可以直接传输给计算机，从而对数据的处理和分析非常方便。而且具有可视化操作界面，能够方便对这些数据信息进行处理。
3.1.6可与外置数码相机、GPS系统配合使用
三维激光扫描仪可配置专业的数码相机，使采集到的图像信息更加清晰、全面。近些年来，随着GPS定位系统逐渐商业化，该项技术大大拓宽了三维激光扫描技术的应用范围，并且适用于各种复杂的工程建设。
4.露天矿地形测量中三维激光扫描数据采集及数据处理
4.1扫描方案和获取数据
礼泉方山建材有限公司建筑石料用灰岩矿矿区地处关中盆地与陕北黄土高原南缘的过度地带（俗称咸阳中西部的“旱腰带”），矿区内地形高低起伏，最高海拔为1017m，最低海拔为880m，矿区面积1.24平方公里。经过实地详细的考察后，确定选用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪结合GPS-RTK进行作业，在视野比较开阔的12个地方架设仪器，对矿区进行全方位三维数据采集。每个测站根据目标地物距离测站间距可选择快速扫描模式或长距离扫描模式，扫描精度采用60方式（百米处两点间距为60mm）的快速扫描模式，最远测量距离可达到600m，测量一周耗时45秒；长距离扫描模式最远测量距离可达到600m，测量一周耗时105秒。
为了方便后续点云数据拼接与坐标纠正，需要每站扫描时在仪器周围均匀布设不少于3个标靶片（一般布设4个），对标靶点的测量按照GPS-RTK图根测量的方法进行采集。整个矿区测完大约需要使用4h。此外，如果采用一台全站仪测图，则大概需要2-3天的时间才能测完，由此可见，三维激光扫描仪的速度是非常快的。
4.2处理数据及建立三维模型
4.2.1多站点云拼接
利用RiSCAN PRO数据处理软件，将多站点云数据转换到同一坐标系下。通过三维激光扫描仪获得的每站扫描数据，都是以该测站扫描仪的位置和姿态固定的局部坐标系中，为了将不同测站的扫描数据重构到一个相对坐标系下，需要进行点云拼接。点云拼接是通过RTK实测标靶点坐标与点云视图中标记的标靶点坐标进行点与点匹配，或在相邻测站选择至少3对同名点，通过寻找同名点方法进行坐标匹配。
4.2.2坐标纠正
经过点云拼接后，所有点云数据被纠正到同一个相对坐标系下，为了获得点云数据精确的地理位置，需要增加地理参考，把仪器坐标系下的点云数据纠正到1980西安坐标系下。具体方法是将用于平差的标靶点坐标生成一个测站，与点云数据的同名点进行坐标匹配纠正，从而把所有点云数据纠正到1980西安坐标系下。
4.2.3特征地物采集
对地物的绘制主要是提取地物的特征点、特征线，直接在已配准的点云数据中进行。采集时按照点、线、面方式进行采集，若在俯视图上无法看清时，可全景观察勾绘。地物勾绘宜分类进行，方便后期进行属性批量添加。
4.2.4数据过滤
数据过滤是指飞点、植被、房屋、电线等非地面点的过滤。这些数据的存在会影响地面三维模型的生成，所以在建立地面三维模型前需要将非地面数据进行剔除。自动化剔除的主要步骤包括依据地形进行抽稀处理、建立三维模型、对三维模型进行削尖处理、依据三维模型进行过滤等。当地面上的点云数据数量足够多且分布均匀时，通过自动剔除操作可以剔除非地面数据；当局部地面点云数据缺失时，需要在抽稀时设置更大的阈值进行过滤；当仍然无法自动剔除时，需要人工进行删除，例如房屋、偏远密林等。
5精度对比分析
5.1点云拼接精度
为了检验点云拼接和坐标纠正后的数据质量，检验拼接后点云中标靶点与实际测量标靶点的精度。选取点云拼接的42个标靶点与RTK实测的标靶点进行精度对比分析，中误差为1.25cm，在露天矿区地形测量中满足拼接精度要求。
5.2高程点精度对比
为了比较三维激光扫描测量与传统全站仪测量高程点的精度，又采用全站仪对该矿区明显高程点进行了实地测绘。把全战仪所测的点位坐标当作真值，共布设了32个碎步检测点。在1：1000地形图上，其检测点的平面坐标中误差小于5cm，高程中误差小于4cm，在地形图上的误差小于1mm，能够达到绘制精度要求。
6.结语
三维激光扫描技术以其数据获取快速、高分辨率、高精度和非接触测量的特点，为露天矿区地形图测量提供了新的技术手段。相对于传统的测量方式，具有以下优势：首先，提高了工作效率；其二，三维激光扫描非接触测量的特点，大大减小安全事故的发生；其三，大量减少了外业人员和设备，降低了生产成本，把繁杂的外业碎步测量转变为有序的内业数据采集。
参考文献：
[1]夏永华，三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践[M].金属矿山，2009
[2]李夕兵，地下空区激光三维探测应用研究[M].金属矿山，2008
[3]王长江，張倬锋，刘夫晓.激光扫描技术在数字化矿山建设中的应用[J].金属矿山，2012
[4]张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2011
[5]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2012
关键词：三维激光扫描技术；露天矿地形测量
1.引言
三维激光扫描技术是近年来发展迅猛的一项新技术。三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，具有数据获取速度快，实时性强；数据量大，精度高；主动性强，全天候工作；全数字特征，信息传输、加工、表达容易等优势。凡在视野范围内的目标，都可采集到其三维坐标，通过把三维激光扫描技术引入到露天矿的测量当中，可以节省劳动力，提高工作效率，并大大减小安全事故的发生。
2.三维激光扫描系统的工作原理
三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、系统软件、电源以及附属设备构成。本次项目使用奥地利Riegl公司生产的VZ-400地面脉冲式混合型三维激光扫描系统，该扫描仪采用高精度的激光测距技术结合多回波接收和实时波形数字化分析技术，提高了仪器的数据获取能力，与传统的一次发射仅能接收一个回波脉冲技术相比，它可以探测到多重目标、详尽的描述物体细节，并可以滤除植被和行人车辆对扫描过程的干扰。
3.三维激光扫描技术相比传统测量技术具有的优点
三维激光扫描技术具有很多的优点，它与传统测量技术相比优点主要集中在如下几个方面：
3.1.1非接触测量
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
3.1.2数据采样率高
目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数千点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以企及的。
3.1.3主动发射扫描光源
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源（激光），通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以实现不受扫描环境时间和空间的约束。
3.1.4具有高分辨率、高精度的特点
三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。
3.1.5数字化采集，兼容性好
由于三维激光扫描技术具有很高的数字化水平，可以将采集到的信息直接转变成数字信号，这些数字信号可以直接传输给计算机，从而对数据的处理和分析非常方便。而且具有可视化操作界面，能够方便对这些数据信息进行处理。
3.1.6可与外置数码相机、GPS系统配合使用
三维激光扫描仪可配置专业的数码相机，使采集到的图像信息更加清晰、全面。近些年来，随着GPS定位系统逐渐商业化，该项技术大大拓宽了三维激光扫描技术的应用范围，并且适用于各种复杂的工程建设。
4.露天矿地形测量中三维激光扫描数据采集及数据处理
4.1扫描方案和获取数据
礼泉方山建材有限公司建筑石料用灰岩矿矿区地处关中盆地与陕北黄土高原南缘的过度地带（俗称咸阳中西部的“旱腰带”），矿区内地形高低起伏，最高海拔为1017m，最低海拔为880m，矿区面积1.24平方公里。经过实地详细的考察后，确定选用RIEGL VZ-400三维激光扫描仪结合GPS-RTK进行作业，在视野比较开阔的12个地方架设仪器，对矿区进行全方位三维数据采集。每个测站根据目标地物距离测站间距可选择快速扫描模式或长距离扫描模式，扫描精度采用60方式（百米处两点间距为60mm）的快速扫描模式，最远测量距离可达到600m，测量一周耗时45秒；长距离扫描模式最远测量距离可达到600m，测量一周耗时105秒。
为了方便后续点云数据拼接与坐标纠正，需要每站扫描时在仪器周围均匀布设不少于3个标靶片（一般布设4个），对标靶点的测量按照GPS-RTK图根测量的方法进行采集。整个矿区测完大约需要使用4h。此外，如果采用一台全站仪测图，则大概需要2-3天的时间才能测完，由此可见，三维激光扫描仪的速度是非常快的。
4.2处理数据及建立三维模型
4.2.1多站点云拼接
利用RiSCAN PRO数据处理软件，将多站点云数据转换到同一坐标系下。通过三维激光扫描仪获得的每站扫描数据，都是以该测站扫描仪的位置和姿态固定的局部坐标系中，为了将不同测站的扫描数据重构到一个相对坐标系下，需要进行点云拼接。点云拼接是通过RTK实测标靶点坐标与点云视图中标记的标靶点坐标进行点与点匹配，或在相邻测站选择至少3对同名点，通过寻找同名点方法进行坐标匹配。
4.2.2坐标纠正
经过点云拼接后，所有点云数据被纠正到同一个相对坐标系下，为了获得点云数据精确的地理位置，需要增加地理参考，把仪器坐标系下的点云数据纠正到1980西安坐标系下。具体方法是将用于平差的标靶点坐标生成一个测站，与点云数据的同名点进行坐标匹配纠正，从而把所有点云数据纠正到1980西安坐标系下。
4.2.3特征地物采集
对地物的绘制主要是提取地物的特征点、特征线，直接在已配准的点云数据中进行。采集时按照点、线、面方式进行采集，若在俯视图上无法看清时，可全景观察勾绘。地物勾绘宜分类进行，方便后期进行属性批量添加。
4.2.4数据过滤
数据过滤是指飞点、植被、房屋、电线等非地面点的过滤。这些数据的存在会影响地面三维模型的生成，所以在建立地面三维模型前需要将非地面数据进行剔除。自动化剔除的主要步骤包括依据地形进行抽稀处理、建立三维模型、对三维模型进行削尖处理、依据三维模型进行过滤等。当地面上的点云数据数量足够多且分布均匀时，通过自动剔除操作可以剔除非地面数据；当局部地面点云数据缺失时，需要在抽稀时设置更大的阈值进行过滤；当仍然无法自动剔除时，需要人工进行删除，例如房屋、偏远密林等。
5精度对比分析
5.1点云拼接精度
为了检验点云拼接和坐标纠正后的数据质量，检验拼接后点云中标靶点与实际测量标靶点的精度。选取点云拼接的42个标靶点与RTK实测的标靶点进行精度对比分析，中误差为1.25cm，在露天矿区地形测量中满足拼接精度要求。
5.2高程点精度对比
为了比较三维激光扫描测量与传统全站仪测量高程点的精度，又采用全站仪对该矿区明显高程点进行了实地测绘。把全战仪所测的点位坐标当作真值，共布设了32个碎步检测点。在1：1000地形图上，其检测点的平面坐标中误差小于5cm，高程中误差小于4cm，在地形图上的误差小于1mm，能够达到绘制精度要求。
6.结语
三维激光扫描技术以其数据获取快速、高分辨率、高精度和非接触测量的特点，为露天矿区地形图测量提供了新的技术手段。相对于传统的测量方式，具有以下优势：首先，提高了工作效率；其二，三维激光扫描非接触测量的特点，大大减小安全事故的发生；其三，大量减少了外业人员和设备，降低了生产成本，把繁杂的外业碎步测量转变为有序的内业数据采集。
参考文献：
[1]夏永华，三维激光探测技术在采空区测量中的应用与实践[M].金属矿山，2009
[2]李夕兵，地下空区激光三维探测应用研究[M].金属矿山，2008
[3]王长江，張倬锋，刘夫晓.激光扫描技术在数字化矿山建设中的应用[J].金属矿山，2012
[4]张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2011
[5]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2012