我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题_廉旭刚.pdf

我国矿山测量领域三维激光扫描技术的 应用现状及存在问题 廉旭刚蔡音飞胡海峰 （太原理工大学矿业工程学院， 山西 太原 030024） 摘要三维激光扫描作为一种非接触式测量技术， 近年来在我国矿山测量领域得到了广泛应用， 涉及了矿 区边坡监测、 露天矿储量管理、 地表沉陷监测等方面。结合近年来的相关研究成果， 系统分析了我国矿山测量领域 三维激光扫描技术的应用现状， 并对存在的问题进行了探讨。研究表明 矿山测量工程应用及科学研究中使用的 三维激光扫描设备与配套软件以国外进口为主， 国产设备与软件较少； 从数据采集、 处理、 成果应用等方面分析， 主 要存在的问题有采集数据质量不佳、 点云数据匹配精度有待提高、 点云数据滤波算法精度不高、 特殊监测领域的应 用成果不明显等。在上述分析的基础上， 认为该领域的主要研究方向为 ①高精度的空天地一体化数据采集方案， 如InSAR、 LiDAR、 倾斜摄影测量与地面三维激光扫描技术相结合； ②具有自主知识产权的点云数据处理软件开发， 包括点云数据智能匹配算法、 智能化高精度点云数据滤波算法等； ③三维激光点云数据后期成果应用， 包括面状地 物变形监测理论与方法、 大数据技术与人工智能技术相结合的三维激光扫描实时动态监测方法。总体来说， 进一 步推进三维激光扫描技术在我国矿山测量领域的应用， 有助于大幅提升相关工程技术人员的空间三维数据处理能 力， 进而提高工作效率。 关键词矿山测量三维激光扫描技术变形监测点云数据匹配大数据技术人工智能技术 中图分类号TD176， P237文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -03-035-06 DOI10.19614/ki.jsks.201903005 Application Status and Existing Problems of 3D Laser Scanning Technique in Mine Surveying in China Lian XugangCai YinfeiHu Haifeng2 （School of Mining Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China） AbstractAs a kind of non-contact measurement technology， 3D laser scanning technique has been widely used in mine surveying in recent years in China， involving slope monitoring in mining area， reserves management of open-pit mine， surface subsidence monitoring and other aspects of mine monitoring and research.Based on the analysis of the newly study results in recent years， the application status of 3D laser scanning technique in mine surveying in China is discussed， and some related existing problems are summarized.The study results show that the 3D laser scanning equipment and supporting software used in mine surveying engineering application and scientific study are mainly imported from abroad， and domestic equipment and software are few； from the aspects of data collection， processing and application of results， there are mainly problems in 3D La- ser scanning technique for mine surveying， such as poor quality of collected data， low accuracy of point cloud data matching， low precision of point cloud data filtering algorithm， and inconspicuous results in special monitoring fields.Based on the above discussion results， further analysis results indicated that main study directions in the field can be summarized as following① high-precision air-ground integrated data acquistion scheme， such as the integration of InSAR， LiDAR or oblique photogram- metry and ground based 3D laser scanning technique； ②development of point cloud processing software with independent in- tellectual property rights， including point cloud data intelligent matching algorithm， intelligent high-precision point cloud data filtering algorithm； ③late-stage application of 3D laser point cloud data， including deation monitoring theory and 收稿日期2018-12-05 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51704205， 51574132） ， 山西省自然科学基金项目 （编号 201701D221025） 。 作者简介廉旭刚 （1984） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 513 期 2019 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 513 March 2019 35 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 of ground planar objects， real-time dynamic monitoring based on the integration of big data technique， artificial intelli- gent technique and 3D laser scanning technique.On the whole， further promoting the application of 3D laser scanning tech- nique in mine surveying in China， is help for greatly improving the spatial 3D data processing ability of relevant engineers and technicians and increasing working efficiency. KeywordsMine surveying， 3D laser scanning technique， Deation monitoring， Point cloud data matching， Big data technique， Artificial intelligent technique 近年来， 三维激光扫描技术在我国矿山测量领 域得到了大量研究和应用， 特别是在露天开采边坡 监测、 露天矿储量管理、 井工开采边坡监测、 采空区 安全监测、 地表沉陷监测等方面应用较为广泛。但 在应用过程中， 出现了一些关键性技术问题， 如面状 地物特征点自动提取、 高精度DEM生产过程中的点 云数据滤波等。本研究通过梳理和分析近年来该领 域的研究成果， 对我国矿山测量领域三维激光扫描 技术的应用现状进行讨论， 并对存在的问题进行归 纳， 供相关研究参考。 1边坡监测 1. 1研究现状 由于开采方式不同， 矿山边坡主要分为露天开 采形成的边坡与井工开采对自然边坡扰动后形成的 边坡。对于露天开采形成的边坡， 李健等 ［1］应用三维 激光扫描技术对平朔露天矿边坡构建了数字模型，突 出了点云数据拼接时采用的综合改进迭代最近点法 （Iterative closest point， ICP） 的优点；闫俊等 ［2］结合三维 激光扫描技术对攀枝花某大型露天矿边坡岩体结构 进行了调查， 得到了节理裂隙的解译与统计结果； 徐 茂林等 ［3］对鞍山某露天矿边坡采用了三维激光扫描 技术进行了监测， 并构建了不同周期的边坡数字高 程模型 （digital elevation model， DEM） ； 王永增 ［4］将三 维激光扫描技术与GPS技术相结合对矿山边坡进行 了监测， 认为该监测方法具有精度高、 施工方便等特 点； 王尚勇等 ［5］应用三维激光扫描技术对某露天矿山 高陡边坡进行了持续动态监测， 通过对获得的点云 数据进行可视化处理分析， 进一步讨论了边坡变形 趋势， 有助于实现边坡灾变预警。 为详细分析井工开采对地表坡体移动变形的影 响， 刘文龙 ［6］基于三维激光扫描技术， 采用深度图像 分割、 点云数据匹配、 点云过滤等技术手段， 获取了 地表坡体高精度DEM， 从而对采动引起的滑坡进行 了有效监测； 赵国梁等 ［7］以四川柏林煤矿为例， 为对 矿区采动滑坡进行有效监测， 应用三维激光扫描技 术获取了矿区复杂边坡表面的几何数据， 通过与常 规测量数据进行对比分析， 认为利用该技术可对边 坡滑坡区地表移动变形特征进行有效监测； 韩亚等 ［8］ 基于三维激光扫描技术以土方量、 坡度、 等高线为因 子对井工开采引起的矿山滑坡及变形趋势进行了评 价， 有助于实现边坡滑坡灾害预警； 廉旭刚等 ［9］应用 三维激光扫描技术对采动形成的山体崩落、 滑坡、 台 阶裂缝进行了监测， 认为利用该技术可对地面灾害 的局部信息进行详细监测。 1. 2设备和软件 边坡监测涉及的三维激光扫描设备型号主要有 Riegl VZ400、 Optech ILRIS 3D、 Maptek I- Site、 Cyra HDS2500、 Scanstation C10、 Leica MS50 等， 涉及的处 理软件主要有RiScan Pro、 Ployworks、 Sentry field、 Cy- clone、 3D Reshape等。 1. 3存在问题及研究方向 （1） 基于三维激光扫描的面状地物测量对特征 点的识别较为困难。变形监测需要对特征点进行多 次重复测量以获取其移动量， 采用三维激光扫描技 术进行边坡监测时， 不同时期特征点的稳定获取与 识别较为困难， 因此有效解决特征点的识别问题是 三维激光扫描坡体监测的一个研究方向， 如研究基 于面域或体积变化的坡体变形监测方法。 （2） 点云滤波算法存在局限性。受到井工开采 扰动的自然坡体表面常附有大量的植被及其他物 体， 在变形监测获取高精度DEM的过程中， 常由于滤 波算法的局限性而造成DEM精度不高， 从而无法获 取精度较高的坡体表面移动变形曲面。 （3） 边坡遮挡点云孔洞问题。由于地面三维激 光扫描设备测站架设角度的问题， 造成获取的边坡 点云数据质量较差， 常形成较多的地面孔洞， 因而提 高地面三维激光扫描点云数据的获取质量需要进一 步研究。 （4） 三维激光扫描边坡动态监测问题。近年来， 大量学者采用三维激光扫描技术进行边坡实时动态 监测， 实际上， 从数据获取、 处理到结果形成， 耗时较 多， 且人工干预处理的因素较多， 难以真正实现实时 和动态监测。随着人工智能技术与大数据技术的发 展， 为真正实现三维激光扫描实时动态监测提供了 方便。 2露天矿储量管理 2. 1研究现状 近年来， 三维激光扫描技术被大量应用于露天 36 ChaoXing 2019年第3期廉旭刚等 我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题 开采储量管理中， 取得了较好效果。范正岳等 ［10］将 三维激光扫描技术应用于某露天矿山地质测量， 分 别从测区踏勘、 扫描操作、 点云数据处理、 成果整理 等方面讨论了技术实施流程， 通过与传统测量方法 相比， 认为该技术在露天矿山地质测量方面优势显 著； 林学艺等 ［11］利用网络RTK技术对某露天矿山进 行了控制测量， 并采用三维激光扫描技术定期监测 矿山采剥面， 通过点云数据处理， 构建了采剥面的三 维地质模型， 经过与各时期的模型进行叠加分析， 实 现了对矿山储量的动态监测； 贾灿灿等 ［12］采用三维 激光扫描技术对丹东某露天矿进行了资源储量的动 态试验性监测， 认为该技术无论在观测效率， 还是在 观测精度方面均优于传统观测方法； 许寅年等 ［13］采 用三维激光扫描技术对许家采石场的资源储量进行 了动态监测， 认为采用该技术进行观测可有效解决 复杂地形条件下的储量管理问题， 相对于传统观测 方法有一定的优势； 潘勇等 ［14］采用三维激光扫描技 术对重庆某石灰岩露天矿采矿权和动态储量进行了 核查与监测， 认为基于该技术获得的观测成果不仅 可以进行露天矿山台阶高度及宽度、 采剥面坡度分 析， 还可以进行资源储量计算、 DEM构建等； 马国超 等 ［15］将三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影技术相 结合开展了露天采场安全监测融合应用研究， 实现 了露天采场生产环境信息的完整三维数据采集， 据 此构建的三维模型直观再现了采场生产环境， 实现 了多尺度精准监测采场安全隐患； 邱敏等 ［16］将三维 激光扫描技术应用于广州从化某露天矿山储量动态 监测， 实践表明 点云数据扫描精度和拼接精度均优 于10 mm， 通过点云数据构建的三维地质模型可对资 源储量进行高精度计算。 2. 2设备和软件 露天矿储量监测涉及的三维激光扫描设备型号 主要有Maptek I-Site、 Scanstation C10、 GLS-1000等， 涉 及的处理软件主要有Cyclone、 Scan Master、 Maptek I- Site Studio 5.0等。 2. 3存在问题及研究方向 （1） 三维激光扫描的穿透性问题。三维激光扫 描设备基于激光脉冲特性设计， 不具有穿透性， 仅记 录当前反射信号， 对于被遮挡的物体 （如植被遮挡的 边坡等） 无法进行完整扫描， 常用的修正方法对于改 善该类物体的扫描效果不理想。 （2） 点云生成高精度DEM程序繁琐。生成高精 度DEM及后处理需要多个软件， 处理过程较为繁琐， 开发由点云数据处理至DEM构建的一站式系统将成 为重要的研究方向。 （3） 三维激光扫描与无人机倾斜摄影成果的融 合精度不高。采用三维激光扫描技术能够从地面获 取目标物体较高精度的点云数据， 但无法对目标物 体顶部被遮挡的部分进行点云数据采集， 采用无人 机倾斜摄影测量技术能够有效获取目标物顶部被遮 挡部分的三维数据， 并通过相关软件转化为点云数 据。因此， 提高三维激光扫描与无人机倾斜摄影测 量成果的融合精度需要进一步研究。 3地表沉陷监测 3. 1研究现状 多年来， 三维激光扫描仪技术被大量应用于矿 区开采沉陷监测， 对于不同地形、 不同开采工况的采 区沉陷监测均取得了一定的成效。李秋等 ［17］， 张舒 等 ［18］、 胡大贺等［19］、 李强等［20］、 冯婷婷等［21］、 李永强 等 ［22］、 孟万利等［23］、 柏雯娟［24］先后采用不同型号的三 维激光扫描仪， 对矿区沉陷进行了2期以上的单站或 多站扫描， 通过点云数据拼接、 滤波、 DEM构建、 DEM 相减得到了相应的沉降曲面， 从而达到高精度监测 开采沉陷的目的。三维激光扫描能够对塌陷坑进行 详细的三维数据采集， 石鹏卿等 ［25］采用三维激光扫 描技术获取了某塌陷坑的基本形态变化信息， 通过 边界对比、 典型断面对比以及塌方量统计， 为塌陷坑 变形机理研究提供了可靠依据。对于沉陷区的特 殊建 （筑） 筑物也能够通过三维激光扫描进行变形 监测， 随着 InSAR 面域变形监测技术的发展， 陈炳 乾等［26］针对处于山东某矿区工作面上方的河堤大 坝， 采用三维激光扫描技术对坝体变形信息进行采 集， 通过将点云数据与SAR数据进行有机融合， 实现 了对坝体大梯度变形信息的高精度监测， 监测精度 优于4.95％； 郭超等 ［27］采用三维激光扫描技术对山东 某矿区大坝沉陷进行了监测， 监测结果与相应的水 准测量数据的平均误差仅为12 mm。 3. 2设备和软件 矿山地表沉陷监测涉及的三维激光扫描设备型 号主要有 Leica ScanStation2、 Scanstation C10、 Leica HDS4400、Riegl VZ- 1000、FARO Focus3D、Trimble GX200等， 涉及的处理软件主要有Cyclone、 Geomagic Studio、 Riscan、 ProReal Works Survey Advanced等。 3. 3存在问题及研究方向 （1） 点云数据分类及滤波算法。三维激光扫描 技术应用于开采沉陷监测时， 主要是通过获取地面 点云数据， 并使用多种点云数据滤波算法来获取高 精度DEM， 并对不同期的DEM进行差值运算， 进而 获得开采沉陷曲面。有别于储量管理和边坡监测， 沉陷监测的范围更大， 且涉及的地面干扰信息更多， 37 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 因而需要更为智能、 更高精度的点云数据分类及滤 波算法。 （2） 无法获取地表水平移动信息。采用传统的 开采沉陷监测方法能够有效获取地表水平移动信 息， 三维激光扫描虽然能够获得大范围的沉降曲面， 但由于无法获取不同时期的同名特征点， 因而无法 获得地表水平移动信息。因此， 采用三维激光扫描 技术精确获取地表水平移动信息需要进一步研究。 （3） 多站采集的点云数据拼接精度及点云数据 缺失问题。单工作面开采形成的下沉盆地较大， 而 三维激光扫描仪的测程有限， 因此需要由大量测站 进行拼接， 靶标拼接或转站测量的误差都会造成点 云数据精度降低； 地形起伏造成的遮挡及测站分布 不均匀造成的点云数据缺失， 在很大程度上会影响 后续建模精度。因此， 有必要对多站整体点云数据 的拼接精度进行研究， 并解决点云数据缺失问题。 （4） 三维激光扫描与InSAR数据的融合问题。随 着InSAR技术的不断发展， 近年来相当一部分矿区采 用InSAR技术进行了地表沉陷监测， 但由于该技术无 法获取大尺度的沉降信息， 故而需要与其他实测方 法相结合。将获取面状沉陷数据的三维激光扫描技 术与InSAR技术进行匹配， 形成InSAR技术监测边缘 微变形与三维激光扫描技术监测下沉盆地大变形的 一体化监测方案， 值得进一步研究。 4其余类型变形监测 4. 1研究现状 近年来， 三维激光扫描技术除了在边坡监测、 露 天矿储量管理、 地表沉陷监测方面得到广泛应用以 外， 在矿区建 （构） 筑物变形监测、 高压线塔变形监测、 相似材料模型试验数据获取等方面也进行了应用。 戴华阳等 ［28］基于三维激光扫描技术， 提出了应用房屋 特征点提取采动区房屋移动变形的方法， 结果显示， 其监测精度能满足房屋移动变形监测要求； 吴侃等 ［29］ 采用三维激光扫描技术对矿区复杂高大建筑物进行 了变形监测， 提出了通过建模并提取建筑物特征线 来判定建筑物是否发生变形的思路； 陈永剑等 ［30］以 某矿区运煤栈道的支撑结构为例， 提出了融合三维 激光扫描、 GPS与全站仪的协同变形监测方案， 取得 了理想效果； 赵雯雯等 ［31］利用三维激光扫描技术对 某矿区井架进行了点云数据获取， 通过2期数据叠加 分析， 讨论了井架变形特征； 考虑到全站仪、 水准仪 等传统测量方法局限于单点测绘， 工作效率低下， 针 对柳林矿区高压线塔， 马维青等 ［32］采用三维激光扫 描技术对其进行了变形监测， 通过对先后获取的4期 点云数据进行对比分析， 讨论了高压线塔的变形规 律； 为有效监测矿区高压线塔的水平、 倾斜和沉降变 形， 李得军等 ［33］采用三维激光扫描技术对高压线塔 进行了变形监测， 并对点云数据获取及高压线塔倾 斜变形分析的详细步骤进行了探讨； 焦晓双等 ［34］采 用三维激光扫描技术对相似材料模型进行了变形监 测， 根据监测结果进一步讨论了矿区建筑物的变形 情况。 4. 2设备和软件 矿山建 （构） 筑物及相似材料模型试验三维激光 扫描监测涉及的设备型号主要有 Trimble GX200、 Cyrax2500、 Leica MS50、 Rigel VZ-1000、 ILRIS-36D等， 涉及的处理软件主要有Real Works Survey Advanced、 Cyclone、 Riscan Pro、 PolyWorks等。 4. 3存在问题及研究方向 （1） 建 （构） 筑物特征点精确提取。采用三维激 光扫描技术进行变形监测主要是以观测对象的特征 点为基准进行坐标提取， 并对比不同时期的特征点 坐标。在提取特征点坐标时， 由于点云数据密度或 空间分辨率较小， 导致无法精确提取到某个角点的 坐标， 因此有必要进一步提高不同密度点云数据的 特征点坐标的提取精度。 （2） 通过三维建模提取特征线进行变形趋势判 断。由于三维激光扫描仪的单点定位精度往往无法 达到建 （构） 筑变形监测的精度要求， 可通过三维建 模获取建 （构） 筑物的特征线， 对不同期的特征线进 行空间趋势分析， 来进一步判断其变形情况。 （3） 三维激光扫描监测矿区高压线塔的问题。 通过三维激光扫描获取的高压线塔的点云数据密度 对塔结构的三维建模精度及特征点坐标的提取精度 具有很大影响。高压线塔的地基沉降量能够代表其 下沉值， 根据塔身顶部横梁特征点与底部特征点的 差值能够计算高压线塔的倾斜、 扭曲等变形量。 （4） 相似材料模型试验监测的问题。采用黑白 靶标布设于相似材料模型上， 通过三维激光扫描获 取其点云数据， 并提取黑白靶标的坐标， 进行不同时 期的坐标对比， 可获取相似材料模型试验的监测结 果。试验中， 黑白靶标较小， 获取的点云数据有限， 导致难以精确提取测点坐标， 并且靶标坐标信息只 能通过人工方式提取， 费时费力， 研究自动化的高精 度提取算法有助于进一步推动三维激光扫描技术在 工业测量领域的应用。 5结论 （1） 我国矿山测量领域中使用的三维激光扫描 设备及软件主要来源于Rigel、 Leica、 Trimble、 Optech 等几家国际公司， 国产三维激光扫描仪应用很少， 有 38 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 必要加强国产三维激光扫描仪的市场应用， 点云数 据处理算法及软件的开发已经成为制约我国三维激 光扫描技术发展的瓶颈。 （2） 在成果精度要求不高的领域， 如露天矿资源 管理、 盘煤量监测、 三维建模等， 三维激光扫描技术 可以进一步推广应用， 对于精度较高的变形监测， 该 技术仍需要进行大量的理论与方法研究， 提高特征 点的识别与获取精度。 （3） 三维激光扫描与新兴技术的融合是其发展 的重要趋势。大数据、 人工智能等技术在点云数据 处理方面的大量应用， 有助于进一步推动三维激光 扫描技术的发展。空天地的遥感监测手段 （InSAR、 LiDAR、 倾斜摄影测量等） 与三维激光扫描技术相结 合， 也是重要的发展方向。 参 考 文 献 李健， 胡书桥， 邓增兵.基于综合改进ICP算法的三维激光扫 描技术在露天矿边坡测绘中的应用 ［J］ .煤田地质与勘探， 2012， 40 （1） 51-54. 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