三维激光扫描自动化监测系统在鞍山市东鞍山铁矿环境治理中的应用

于波

摘    要： 近年来，受采矿活动影响而产生的地质环境破坏现象频繁，地质灾害贫发，矿山地质环境治理工作受到各级政府及有关部门的高度重视。矿山斜坡上的土体或岩体不稳，在重力或自然因素作用下滑动，造成滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害，严重威胁人民生命财产安全，所以对地质灾害的研究和环境治理成为当务之急。但现有技术方式调查工作费时、费力，同时存在调查人员的人身安全问题，受工作环境影响较大。三维激光扫描自动化监测系统对东鞍山铁矿边坡进行监测，有效的反应出边坡的整体移动情况，进行无接触的大范围的扫描，预测地质灾害的变形趋势和未来量大小。

关键词：三维激光扫描仪;自动化监测系统;三维模型

1  前言

鞍山市东鞍山铁矿前峪尾矿库排岩场地质环境治理项目区总面积为144.65亩， 项目区内地质环境问题主要包括地质灾害和生态环境破坏两方面。该排岩场从1958年开始排岩运行，形成整体近于自然稳定的填土边坡，但在雨季及春季冰雪融化之际，时有表层滑塌发生。据了解斜坡坡脚处经常取料，斜坡滑塌规模逐步增大，局部处于欠稳定状态，严重威胁周边人员人身安全。采用三维激光扫描自动化监测系统对东鞍山铁矿边坡进行监测，有效的反应出边坡的整体移动情况，保证人民生命财产安全。

2  三维激光扫描仪

三维激光扫描仪通过对形变区域进行周期性扫描，对比不同層次的三维信息进行形变监测。将基于三维激光扫描仪的地质灾害地面形变监测分为现场勘查、数据采集、成果输出与分析比对3个主要步骤。

（1）现场勘查-根据监测区域概括、要求等进行现场勘查，确定采集设备及安装位置和作业方式。

（2）数据采集-抗干扰、自动化、全天候在线采集传输。

（3）点云处理-点云数据进行粗差剔除、旋转对齐、多视拼接等操作。

三维激光扫描自动化监测系统从传统的单点测量发展到面测量，高精度，高密度，高速度获取被监测区域形变细节及整体形变趋势，克服了单点式监测中监测点数少、难以发现无监测点区域的形变情况以及监测点一旦破坏将严重影响资料连续性等问题。

（1）区域进行周期性扫描，对比不同层次的三维信息进行形变监测

（2）点云数据进行粗差剔除、旋转对齐、多视拼接操作

（3）通过监测点的变形信息以及特定区域的土方量的变化进行分析，预测地质灾害的变形趋势和未来量大小。

3  自动化监测

三维激光扫描技术是上世纪末兴起的一门新兴测绘技术，它通过高速激光扫描测量的方法，高分辨率地获取被测对象表面的三维坐标数据，以逐点扫描的方式，真实再现所测物体的三维立体景观。

全景影像数据具有形象的纹理和颜色信息，可以作为三维激光点云数据的纹理补充。将点云与全景影像数据进行配准，融合两者信息，通过三维激光点云可以找到对应影像像素，进行点云着色，反之以全景影像作为展现载体，通过影像素坐标可以找到对应三维激光点云，进行地物量测，使两种数据产品拥有统一的坐标系统，相互空间关联，一起可称为影像点云数据。基于这种数据可以开发一种全景影像为前台表现，以点云为后台支撑的全新数字测图与建模软件，可直接利用全景影像进行地物判读采集、测量、建模、直接进行三维纹理映射等，大大提高成果生产可视化的效果，便于判读。

在地质环境监测中，对可能产生滑坡、泥石流、坍塌等灾害的区域需要特别注意土方量的动态变化，对扫描所得的数据进行处理与分析，通过监测点的变形信息以及特定区域的土方量的变化进行分析，可预测地质灾害的变形趋势和未来量大小。与目前的传统测量、摄影测量等测量方式相比，该技术有明显的以下优点：

（1）数据采样率高。传统的测绘仪器很难采集高密度、高分辨率的海量点云数据。脉冲激光可以在数秒内采集上千个点，相位激光扫描仪可以达到上万点，突破了单点模式，可以获得更多的物体空间信息。

（2）精确度高。精度不但高于摄影测量中的解析点而且精度分布均匀，还可以避免表面近似误差的问题。

（3）受外界影响小。通过自身发射的激光回波信号获取目标的数据信息，白天黑夜都能够作业操作，也不像传统测量对温度的要求较高。

（4）非接触式测量。无需接触目标，也不需要反射棱镜，可以实现对危险目标和环境数据的采集。

（5）数字化采集，兼容性好。直接采集具有全数字特征的数字信号，后期的输出、处理，保存、共享比较方便。

获得两期一定周期内的点云数据，分别计算基于同一基准面的区域土方量并进行比较，判断是否有明显的地质位移。由于点云数据具有非常好的面表征，可直接将两期获取的地质灾害隐患点的三维模型进行叠加对比分析，计算两个模型的体积偏差大小，生成偏差色谱图，并与给定限差比较，可视化的手段可以明确地判别出各个区域的位移方向和精确的边界范围，对可能产生的地质灾害进行明确的定位和维护。同时对两个时期的GNSS监测数据进行对比，分析监测点的沉降状况，对该地区的稳定性进行评估。

4  发展前景

边坡工程稳定性问题一直是矿山环境治理中的一项重要的研究内容，越来越受到研究人员的重视。监测工作是矿山环境治理施工的重要环节，能否由监测结果正确评价其稳定性，直接关系到建设资金的投入和人民的生命财产安全。对于矿山边坡的地表移动变形，目前较多的是采用电子全站仪和GPS静态定位技术进行观测。但这些观测方法都停留在对单个特征点的变形移动上，不能全面地概括出整个边坡的移动变形情况，处理后的数据往往对边坡的稳定性问题存在潜在的风险。三维激光扫描自动化监测系统对矿山边坡的监测，能有效的反应出边坡的整体移动情况，可以进行无接触的大范围的扫描，最终通过不同观测时期的数据建立三维模型进行叠加对比分析，计算两个模型的体积偏差大小，生成偏差色谱图，预测地质灾害的变形趋势和未来量大小，具有重要的实用价值。

三维激光扫描自动化监测系统在矿山环境治理中，能够全面反映整个边坡的地表移动变形，且能获得边坡的地形、地貌和三维模型，为边坡工程技术人员提供详细的边坡资料。传统的全站仪和GPS观测方法，费时、费力并存在作业人员的人身安全问题，同时在某些情况下还存在难以获取令人满意的结果。三维激光扫描可实现无接触扫描，将三维激光扫描技术引入到岩土、地质工程等其他领域，在某些方面有着传统方法难以比拟的优势，获取一些传统方法难以获得的结果，这种新技术的引入大大降低了调查人员的劳动强度，保证了作业人员的生命和财产安全，提高了工作效率，有广阔的应用前景。

5  结论

随着三维激光扫描技术理论的不断完善与发展，其势必在矿山环境治理领域内引起新一轮的技术革新，基于三维激光扫描技术的环境监测也一定会得到广泛的应用。我公司将三维激光扫描仪与传感器设备集成自动化监测系统，根据监测目标本身特有的物理和化学特征，使得扫描仪能够自动识别目标。这样所采集到的数据不仅包含三维信息，同时还有目标本身的物理和化学信息，利用软件能实现数据的实时处理，三维模型的实时构建与分析，从而达到智能化执行环境监测，智能化预警的目的，对保障人民生命和财产安全具有重要的意义。

参考文献：

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[4] 董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用 [J].岩石力学与工程学报，2006.