随着经济的快速发展,矿产资源的需求急剧上升,各种灾害事故也呈同步上升的趋势,地下矿山成为了安全事故高发区。而长时期开采形成的采空区是井下最主要的危险源之一。一个矿山如果存在大量的采空区,就会使开采条件恶化,造成矿柱变形,相邻采场和巷道维护困难;严重的还会引起井下大面积冒落、岩移、突水等灾害发生。因此在数字矿山的建设中,地下空区的三维数据采集既是重点又是难点。随着三维激光扫描技术的发展及其仪器成本的逐步降低,在各行业的应用必将逐渐普及,相关研究也越来越深入,空区探测系统（CMS）对地下空区的数据采集作为一种新技术应用到矿山必将有很好的前景。目前大部分学者按载体不同,将三维激光扫描系统分为机载激光雷达系统和地面激光雷达系统。而地下三维激光扫描技术目前研究得很少,基本上将其归到地面三维激光扫描技术来研究,而地下的扫测内容十分广泛,除了地下开采矿山扫测空区而外,还可用于扫测数字矿山所需井巷数据、溶洞内部情况、水电站地下厂房、隧洞（引水、公路、铁路）等地下工程,特别是人员无法进入的非安全区域。地面上的地物很容易找到其在点、线、面上的特征,很多数据预处理的算法就是基于这些特征的,地下空间由于形状复杂、不规则、很多地方无法用肉眼看见而使得在扫描方法和数据处理上更加复杂。在三维重建中,数据的预处理起到了承上启下的作用,而这一步做得好坏直接影响到三维模型的质量,针对地下工程的这种特殊性,本文选取了地下三维激光扫描点云数据预处理作为研究的主要内容。本论文的主要研究内容如下:1、分析研究了数字矿山的基本框架、矿山三维数据的获取方式、国内外三维激光扫描在矿山的应用现状、矿山三维激光扫描数据处理的技术路线、三维模型的建立和可视化等。2、研究了三维激光扫描系统的结构、原理及应用;详细介绍空区探测系统（CMS）的原理、性能及其在矿山地下的作业方法、前期的数据处理流程,分析了空区探测系统（CMS）在矿山地下空区数据采集的特点及优势;展示了空区探测系统（CMS）的具体应用、比较多种三维激光扫描系统的性能。3、分析研究了空区探测系统（CMS）的误差来源和影响因素、设计实验验证了其内部和外部精度评价方法,并得出了结论;针对外部精度不高的事实,对在不同扫描方式下的误差做了定量分析研究,通过试验,发现了空区探测系统（CMS）在扫描测量中的仰俯向、测滚向和方位角误差,统计了在不同角度、不同距离情况下各项误差的规律,并提出了校正方法。4、研究了空区探测系统（CMS）采集的点云数据的去噪方法,并依据空区的精度要求,重点研究了孤立点的排除算法,并分析了去噪之后的平滑算法。5、设计了空区多视角扫描的方法、同名点的制作及算法,研究了点集对点集的拼接算法:四元素法、迭代最近点算法ICP及其改进算法;重点研究了基于聚类理论的点云拼接后的数据融合理论,包含了重叠区域检测、计算初始核点及聚类融合。6、在研究点云数据空洞补全理论的基础上,提出了一种简化的点云数据空洞补全算法:包含点云数据空洞边界点的识别、清理和投影;简单空洞的三角化,复杂空洞的简单化;空洞的三角剖分,更新创建顶点和三角形。7、在全面回顾了不同形式点云数据精简的算法的适用性、优缺点的基础上,提出了点云数据精简算法的评价体系,并根据空区探测系统（CMS）采集数据方式和空区的空间形态,分析了现有数据精简算法在空区点云数据精简上的优缺点,提出了基于切片的地下空间点云数据精简算法,本算法包含了切片处理、阀值的确定、切片边界线的拟合、切片边界线的特征点提取等,其中又提出了改进的偏角法用于切片边界线的特征点提取,通过对一个空区数据进行实证验算,认为该算法是可行的,而且精简率很高。总之,本论文以大红山铜矿三维地理信息系统的研究与实现为背景,以空区探测系统（CMS）对地下空区的数据采集与处理为主线,以实验为基础,以实际应用为前提。研究了空区探测系统（CMS）的原理、数据采集方法和数据输出,设计了精度评价方法,实验发现了系统误差并提出了误差校正模型,围绕三维激光扫描点云数据预处理内容、结合空区三维空间特点,研究了点云数据的去噪和平滑算法、点云拼接对整及点云数据融合算法、提出了一种基于聚类的点云数据融合算法,重点研究了基于切片的点云数据精简算法,提出了改进的偏角法进行边界特征点的提取算法。论文探索建立了一套较为完整的基于空区探测系统（CMS）的数据采集与校正、点云数据的预处理方法,旨在为地下空区三维建模及应用提供优质、高效的测量数据,为三维激光扫描技术在地下空间扫描测量的研究应用提供了有价值的参考。