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[摘 要] 随着三维激光扫描技术获取空间数据的能力的提高，其无接触式测量方式提高了工程测量的应用范围，使得工程测量从传统的单点数据采集方式发展到三维立体面数据采集方式。本文简单阐述了地面三维激光扫描技术的基本工作原理、技术特点及在矿山地形测量中的应用。
[关键词] 三维激光扫描 无接触式测量 矿山地形测量；
1、引言
三维激光扫描技术是近年来发展起来了一门新技术，是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。是继GPS 技术以来测绘领域的又一次技术革新。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。特别对于测绘领域来说，伴随三维激光技术的不断完善与发展，以及三维控制信息需求的增加，作为一种新的空间数据采集手段，将三维空间技术和现代经典测量技术相互融合，三维激光扫描技术具有广阔的发展空间，将成为一种普遍在测绘领域应用的新技术。
2、三维激光扫描系统
三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为: (1) 机载型激光扫描系统；(2)地面型激光扫描系统，还可根据测量方式细分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统；(3) 手持型激光扫描系统。地面型三维激光扫描系统一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源及其他附件组成[2]。
2.1地面型三维激光扫描原理
地面型三維激光扫描技术是伴随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新的测绘技术。它是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。
地面型三维激光扫描系统工作原理: 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号， 经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算目标点P 与扫描仪中心的距离 。精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。
x = S? c o sθc o sα
y = S ?c o sθs i nα
z = S?s i nθ
从定位原理来讲，地面三维激光扫描技术和传统的全站仪测量技术是相同的，采用激光三角法，以仪器自身中心为坐标原点（O），通过测距（S）和测角（θ，α）解算目标相对于原点的三维坐标P（x，y，z），然后再通过坐标系的平移和旋转来得到不同坐标系统下的地理坐标。所不同的是，地面三维激光扫描技术具有全自动高密度的面数据获取能力，数据量极大且数据信息极为丰富。
2.2地面型三维激光扫描技术的特点
（1）非接触测量：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，所采集的数据真实可靠。可用于解决危险目标、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。
（2）高分辨率、高精度：三维激光扫描技术可以快速、高精度获取被测目标表面海量点云数据，可以以0.1m～2.0m测点间隔对扫描目标表面进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。一般中远程三维激光扫描仪的单点测量精度在几毫米到几厘米之间，模型的精度要远高于单点精度可达2～3mm。
（3）数据采样率高：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。采样速率是传统测量方式难以比拟的。
（4）效率高：作为非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形表面的阵列式几何图形数据，与常规的工程测量比具有较明显的优势。与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比，降低了对地表纹理的要求，无需像控点，能反应目标对象细节信息等特点。
2.3地面型三维激光扫描技术的数据处理
利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、不同点云数据的特性，三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲，整个数据处理过程一般包含下面几个步骤: 噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。数据采集是模型重建的前提，数据处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。实际应用中，应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。
（1）噪声去除，指除去点云数据中错误的数据。由于某些环境因素的影响以及特殊情况，比如设备、树木及行人等，会在扫描过程中被扫描仪采集。这些数据都无法真实的反映地貌情况，在数据处理时就要删除。
（2）多视对齐，由于被测物体过大或过于复杂，扫描时往往不能一次测出所有数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，扫描采用的坐标系是以扫描仪为中心建立的独立坐标系， 因此需要将各个独立坐标系转换到一个统一坐标系中，这些点云就需要对齐、拼接称为多视对齐。为了保证多视对齐精度，不同位置、多视角进行扫描时，相连区域应保证一定的重叠度为宜。此外通过建立统一的控制网，使扫描得到的数据在同一个坐标系内，有效提高拼接的精度。
（3）数据精简，由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。常用的精简方法可采用下列方式: 平均精简——原点云中每n个点保留1个；按距离精简——删除一些点后使保留的点云中点与点间的距离均大于设定值。
（4）曲面重构，为了真实地还原扫描目标的本来面目，需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构。根据重构曲面的表现形式可以分为函数型重构和离散型重构。函数型曲面重构有任意拓扑B样条曲面自动重构法和离散点集拟合法；离散型重构最常用的是三角网格曲面重构。
3、地面型三维激光扫描技术在矿山地形测量中应用
矿山地形测量由于其范围较小、地形复杂和人员通行困难等因素，使得采用全站仪内外业一体化数字成图或者数字摄影测量方法因工期与成本的原因，都无法较好的满足工作需求。而三维激光扫描仪通过非接触测量极大的解决了通行问题，在保证成图的精度要求的同时，也提高了工作效率。运用地面型三维激光扫描技术进行外业数据采集，并通过点云处理，进行平面虚拟测量、DEM建模、等高线、纵横断面等模型生成。 下面以徕卡HDS4400长距离三维激光扫描测量系统为例，探讨地面型三维激光扫描技术在矿上地形测量中应用。
3.1 工作流程
3.2 数据采集
由于本测区多为山地，受扫描仪扫描范圍的限制，三维激光扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描体的完整点云数据，反映一个扫描实体信息要通过若干个地方由若干幅扫描才能完成。
为了提高精度， 本项目中使用了设置控制点法来提高对齐精度， 通过GPS完成测区基础控制测量，并以此基础控制网加密控制点。测站点和定向点均采用已有的控制点成果，通过在扫描重叠区域设置扫描仪可以识别的带有三维坐标数据控制点来实现，大大提高了对齐精度。
同时为了少留测量死角，在外业扫描时采取了每站各进行一次远距离扫描和近距离扫描的方式。
3.3 数据处理
3.3.1 数据对齐拼接
外业扫描完成后，将各站点的原始扫描数据从手簿中导出，然后导入Maptek I-Site Studio软件中，通过测站点和定向点的坐标来完成各站点的数据对齐拼接处理，确保了数据对齐拼接处理精度，将对齐拼接后的数据导出“*.txt”文件到Cyclone软件中进行下一步处理。
3.3.2 去除植被
在山体地形的扫描中，由于植被的遮挡，数据测量的真实性受到影响，为了更真实的反应地形地貌， Leica HDS4400获得的山体数据采用以下四种方法来去除植被。
(1)直接删除点云。
(2)定义多边形边界，将边界内的植被删除。
(3)通过拓扑过滤，直接剔除高程上有很大变化的点。
(4)在Cyclone中，切片剔除植被。
3.3.3 切片剔除植被
在植被茂密区域，切片剔除植被是一种主要方法。将扫描后的点云形成“*.txt”文件导入Cyclone软件中后，沿河流的方向选择两点建立坐标系（方便在平行于山坡的做切面，能更好的剔除植被），将视图调节成为顶视图，然后设置好Limit box，通过调节黄色的控制点形成切面。然后通过后视图或前视图，或旋转视角，判断不在地面上的点云并剔除。
3.3.4 CASS成图
在Cyclone中完成去除植被操作后，导出坐标文件(*.xyz)，然后将其转换成南方CASS展点所需的格式(点号，代码，东坐标，北坐标，高程)，由于扫描数据量巨大，为方便CAD处理且保留地形细节，以每5m一个高程点的密度导入到南方CASS中，反复生成等高线，判断去除图面上的噪点，最终生成山体地貌等高线。
3.4 断面数据生成
通过处理后的点云数据，建立三维数字地面立体模型，然后根据矿产储量分析的断面设计要求，生成所需要的断面数据。
4、适用性和不足
由于三维激光扫描系统可以实现远距离非接触测量，从而对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势。另外，该方法突破了传统测量方式，从点测量发展为面测量，具有测量速度快、精度高等特点。
不足之处在于：(1) 受到扫描距离和范围有限；（2）植被茂密地区，扫描数据中植被数据掩盖了地形数据， 如何精确还原地形数据。
5、结 语
三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一个新的研究方向。地面型三维激光扫描系统应用较以往常规测量方法速度快，点密度高，能很有效的减少外业的劳动强度和保证了测量人员的人身安全，使山区地形图测绘与断面测量工作变得更快捷有效。
参考文献：
[1] 徐晓雄等.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘， 2009年2期：63-65.
[2] 孙树芳等.三维激光扫描技术的数据处理及误差分析[J].科技创新导报 ，2008年30期：1-2.
[3] 董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[C]. 四川成都：成都理工大学， 2007.
[关键词] 三维激光扫描 无接触式测量 矿山地形测量；
1、引言
三维激光扫描技术是近年来发展起来了一门新技术，是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。是继GPS 技术以来测绘领域的又一次技术革新。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。特别对于测绘领域来说，伴随三维激光技术的不断完善与发展，以及三维控制信息需求的增加，作为一种新的空间数据采集手段，将三维空间技术和现代经典测量技术相互融合，三维激光扫描技术具有广阔的发展空间，将成为一种普遍在测绘领域应用的新技术。
2、三维激光扫描系统
三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为: (1) 机载型激光扫描系统；(2)地面型激光扫描系统，还可根据测量方式细分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统；(3) 手持型激光扫描系统。地面型三维激光扫描系统一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源及其他附件组成[2]。
2.1地面型三维激光扫描原理
地面型三維激光扫描技术是伴随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新的测绘技术。它是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。
地面型三维激光扫描系统工作原理: 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号， 经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算目标点P 与扫描仪中心的距离 。精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。
x = S? c o sθc o sα
y = S ?c o sθs i nα
z = S?s i nθ
从定位原理来讲，地面三维激光扫描技术和传统的全站仪测量技术是相同的，采用激光三角法，以仪器自身中心为坐标原点（O），通过测距（S）和测角（θ，α）解算目标相对于原点的三维坐标P（x，y，z），然后再通过坐标系的平移和旋转来得到不同坐标系统下的地理坐标。所不同的是，地面三维激光扫描技术具有全自动高密度的面数据获取能力，数据量极大且数据信息极为丰富。
2.2地面型三维激光扫描技术的特点
（1）非接触测量：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，所采集的数据真实可靠。可用于解决危险目标、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。
（2）高分辨率、高精度：三维激光扫描技术可以快速、高精度获取被测目标表面海量点云数据，可以以0.1m～2.0m测点间隔对扫描目标表面进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。一般中远程三维激光扫描仪的单点测量精度在几毫米到几厘米之间，模型的精度要远高于单点精度可达2～3mm。
（3）数据采样率高：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。采样速率是传统测量方式难以比拟的。
（4）效率高：作为非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形表面的阵列式几何图形数据，与常规的工程测量比具有较明显的优势。与同样具有快速测量优势的数字摄影测量相比，降低了对地表纹理的要求，无需像控点，能反应目标对象细节信息等特点。
2.3地面型三维激光扫描技术的数据处理
利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、不同点云数据的特性，三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲，整个数据处理过程一般包含下面几个步骤: 噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。数据采集是模型重建的前提，数据处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。实际应用中，应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。
（1）噪声去除，指除去点云数据中错误的数据。由于某些环境因素的影响以及特殊情况，比如设备、树木及行人等，会在扫描过程中被扫描仪采集。这些数据都无法真实的反映地貌情况，在数据处理时就要删除。
（2）多视对齐，由于被测物体过大或过于复杂，扫描时往往不能一次测出所有数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，扫描采用的坐标系是以扫描仪为中心建立的独立坐标系， 因此需要将各个独立坐标系转换到一个统一坐标系中，这些点云就需要对齐、拼接称为多视对齐。为了保证多视对齐精度，不同位置、多视角进行扫描时，相连区域应保证一定的重叠度为宜。此外通过建立统一的控制网，使扫描得到的数据在同一个坐标系内，有效提高拼接的精度。
（3）数据精简，由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。常用的精简方法可采用下列方式: 平均精简——原点云中每n个点保留1个；按距离精简——删除一些点后使保留的点云中点与点间的距离均大于设定值。
（4）曲面重构，为了真实地还原扫描目标的本来面目，需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构。根据重构曲面的表现形式可以分为函数型重构和离散型重构。函数型曲面重构有任意拓扑B样条曲面自动重构法和离散点集拟合法；离散型重构最常用的是三角网格曲面重构。
3、地面型三维激光扫描技术在矿山地形测量中应用
矿山地形测量由于其范围较小、地形复杂和人员通行困难等因素，使得采用全站仪内外业一体化数字成图或者数字摄影测量方法因工期与成本的原因，都无法较好的满足工作需求。而三维激光扫描仪通过非接触测量极大的解决了通行问题，在保证成图的精度要求的同时，也提高了工作效率。运用地面型三维激光扫描技术进行外业数据采集，并通过点云处理，进行平面虚拟测量、DEM建模、等高线、纵横断面等模型生成。 下面以徕卡HDS4400长距离三维激光扫描测量系统为例，探讨地面型三维激光扫描技术在矿上地形测量中应用。
3.1 工作流程
3.2 数据采集
由于本测区多为山地，受扫描仪扫描范圍的限制，三维激光扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描体的完整点云数据，反映一个扫描实体信息要通过若干个地方由若干幅扫描才能完成。
为了提高精度， 本项目中使用了设置控制点法来提高对齐精度， 通过GPS完成测区基础控制测量，并以此基础控制网加密控制点。测站点和定向点均采用已有的控制点成果，通过在扫描重叠区域设置扫描仪可以识别的带有三维坐标数据控制点来实现，大大提高了对齐精度。
同时为了少留测量死角，在外业扫描时采取了每站各进行一次远距离扫描和近距离扫描的方式。
3.3 数据处理
3.3.1 数据对齐拼接
外业扫描完成后，将各站点的原始扫描数据从手簿中导出，然后导入Maptek I-Site Studio软件中，通过测站点和定向点的坐标来完成各站点的数据对齐拼接处理，确保了数据对齐拼接处理精度，将对齐拼接后的数据导出“*.txt”文件到Cyclone软件中进行下一步处理。
3.3.2 去除植被
在山体地形的扫描中，由于植被的遮挡，数据测量的真实性受到影响，为了更真实的反应地形地貌， Leica HDS4400获得的山体数据采用以下四种方法来去除植被。
(1)直接删除点云。
(2)定义多边形边界，将边界内的植被删除。
(3)通过拓扑过滤，直接剔除高程上有很大变化的点。
(4)在Cyclone中，切片剔除植被。
3.3.3 切片剔除植被
在植被茂密区域，切片剔除植被是一种主要方法。将扫描后的点云形成“*.txt”文件导入Cyclone软件中后，沿河流的方向选择两点建立坐标系（方便在平行于山坡的做切面，能更好的剔除植被），将视图调节成为顶视图，然后设置好Limit box，通过调节黄色的控制点形成切面。然后通过后视图或前视图，或旋转视角，判断不在地面上的点云并剔除。
3.3.4 CASS成图
在Cyclone中完成去除植被操作后，导出坐标文件(*.xyz)，然后将其转换成南方CASS展点所需的格式(点号，代码，东坐标，北坐标，高程)，由于扫描数据量巨大，为方便CAD处理且保留地形细节，以每5m一个高程点的密度导入到南方CASS中，反复生成等高线，判断去除图面上的噪点，最终生成山体地貌等高线。
3.4 断面数据生成
通过处理后的点云数据，建立三维数字地面立体模型，然后根据矿产储量分析的断面设计要求，生成所需要的断面数据。
4、适用性和不足
由于三维激光扫描系统可以实现远距离非接触测量，从而对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势。另外，该方法突破了传统测量方式，从点测量发展为面测量，具有测量速度快、精度高等特点。
不足之处在于：(1) 受到扫描距离和范围有限；（2）植被茂密地区，扫描数据中植被数据掩盖了地形数据， 如何精确还原地形数据。
5、结 语
三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一个新的研究方向。地面型三维激光扫描系统应用较以往常规测量方法速度快，点密度高，能很有效的减少外业的劳动强度和保证了测量人员的人身安全，使山区地形图测绘与断面测量工作变得更快捷有效。
参考文献：
[1] 徐晓雄等.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘， 2009年2期：63-65.
[2] 孙树芳等.三维激光扫描技术的数据处理及误差分析[J].科技创新导报 ，2008年30期：1-2.
[3] 董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[C]. 四川成都：成都理工大学， 2007.