三维激光扫描技术在露天矿山方量测算方面的应用

莫 豹，欧阳天云

（保利新联爆破工程集团有限公司，贵州 贵阳 550002）

三维激光扫描技术[1-3]是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像的测量技术，它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据，而且它所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。新疆别斯库都克露天煤矿以往的方量测算主要是通过RTK现场测点，然后将大量的单点数据导入到3DMine中，通过三角网法计算方量，矿山的三维模型亦是由此得到，但是测算数据的精度较低，严重制约于现场所测点的数量、点的密度以及重点位置测点的方位。而三维激光扫描技术在数据获取上极为方便，可大大简化数据的获取流程，为方量测算提供了一种极为便捷的方式[4]。

1 设备简介

FARO®Laser Scanner Focus3D X 330是一种精密的测量设备，可产生照片一般逼真的三维图像，它具有高精度、高分辨率、高速获取数据等特征，可通过内置触摸屏进行直观控制。

Focus3D X 330使用相位偏移技术测量距离。这意味着使用不同长度的等幅波对激光束进行调制。通过测量红外线光波的相位偏移，即可准确判断扫描仪到对象的距离。借助特殊的调制技术，HYPERMODULATIONTM可大幅提高调制信号的信噪比。之后，通过使用角度编码器测量Focus3D X 330的镜像旋转和水平旋转，计算各点的X、Y、Z坐标，同时使用距离测量对这些角度进行编码。距离、垂直角度和水平角度组成极坐标(δ,α,β)，该坐标随后会转换为笛卡尔坐标（x,y,z）。扫描仪可覆盖360°×300°的视野[5]。

2 数据获取

三维激光扫描仪获取数据主要是在RTK的配合下在现场对特定位置进行扫描，由于激光的直线传播原理，为了更好的获取待扫描区域的数据模型，避免因扫描对象的不规整而导致出现扫描空洞，一般配置多个站对目标对象实行环绕式覆盖扫描，扫描完成将各个站的数据进行拼接，进而得到目标对象的三维点云模型[6]。

在激光扫描仪扫描测量之前，利用RTK获取扫描区域内的四个点坐标，此四点不可共面，用于确定扫描仪在空间中的位置，为了方便后期各站点的扫描数据的配准，对每一个站点均需确定其空间位置。扫描仪的参数设定上根据现场情况和后期需求选定，比如是室内测量还是室外测量、长距离或者短距离、分辨率大小、是否获取扫描对象的颜色等。为了更快的获取扫描区域点云数据以及减少数据内存，可通过设定垂直和水平的测量角度，让扫描仪只获取待扫描区域的点云数据。数据获取完毕便可通过自带软件进行后处理，得到扫描区域的三维点云模型。

3 数据后处理

获取扫描数据后便可导入三维激光扫描仪自带的数据处理软件SCNCE进行后续处理，数据的后处理需要经过以下五个步骤：坐标转换→自动拼接→裁剪、数据导出→转换格式、形成dat文件。下面对各个步骤简要概述。

3.1 坐标转换

三维激光扫描仪所认可的用来确定站点空间位置的靶点的坐标顺序为（E，N，H），即东坐标、北坐标、高程。而通过RTK获取的坐标数据顺序为（N，E，H），在EXCEL中需要先将该坐标的东坐标和北坐标位置互换。然后将靶点坐标数据拖入SCNCE软件，进行后续自动拼接操作。

3.2 自动拼接

将RTK获取的靶点坐标数据在群级别导入，打开各个站点的快速视图，选取工具栏中的“标记棋盘板目标”，按顺序标记视图中的各个靶纸，将名称与RTK点坐标一一对应，依次完成各个站点的操作。然后执行操作→注册→布置扫描→按手动目标强制对应→完成[7，8]。

3.3 裁剪、数据导出

完成各个站点的点云拼接后，便可对其进行剪裁，删除扫描对象之外的点云数据，通过点选工具栏中的多边形选择器，在对应视图中框选我们所要保留的点云数据，右键选择删除外部选择，也可框选待删除的点云数据，右键选择删除内部选择，清除无用点云后效果见图1。

图1 点云效果图

3.4 转换格式形成dat文件

得到配准后的点云后导出扫描，选择XYZ数据格式，由于通过激光扫描仪扫描的数据量较大，在方量测算允许的误差范围内对点云进行抽稀，在子样本中对行、列进行设置，数值代表的是每几行（列）只取一行（列）。将生成的XYZ点云数据导入EXCEL中，删除代表点云颜色的数据，在坐标的前面插入序列，增加一个空格，保存该数据格式。在记事本中打开该文件，将空格替换为逗号，将xyz后缀改为dat后缀，即完成点云数据格式的设置，见图2。

图2 点云数据格式

4 导入CASS计算方量

打开南方CASS，在绘图处理中选择展野外测点点位，在正视图中利用复合线框选出计算区域的边界线，依次选择工程应用→DTM法土方计算→根据坐标文件→点选计算区域边界线→选择导入的点云数据，输入标高（例：本例待计算的平盘位于1228水平，平盘高度为12m，平场标高输入1216），边界采样间距一般设为10m，该值越小，计算精度越高，点选确定之后便会自动计算方量[9-11]，结果如图3所示。

图3 方量计算结果

5 结论

（1）三维激光扫描技术是一种先进的在三维空间内获取数据信息的技术手段，与传统的工程测量方法相比，该技术能够迅速的无接触的获取高精度和高密度的地物数据，有效的提高了工程测量的效率和精度。

（2）利用三维激光扫描技术获取矿山的三维数据模型，在此基础上进行方量测算，与传统收方测算相比，大大简化了数据获取流程、提高了方量测算速度，计算的结果也较以往更为精确。

（3）目前，软件对三维激光扫描仪的数据的处理效率较低，也制约了三维激光扫描技术的应用，随着相关内业处理系统的发展和成熟，三维激光扫描技术将会迎来更大的应用前景。