三維激光掃描儀在鞍山市大孤山鐵礦動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

金忠誠

摘 要：為了達(dá)到礦產(chǎn)資源開采達(dá)到合理化與可持續(xù)化發(fā)展，礦山企業(yè)定期要對采礦場資源儲量進(jìn)行核實(shí)，目的是調(diào)查礦山開采現(xiàn)狀，估算礦山保有資源量，為下一步開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。對于鐵礦石的資源儲量，一般采用免棱鏡全站儀進(jìn)行測量評估。但因地形復(fù)雜，測量人員使用全站儀觀測常有觀測死角，此外人為因素的測量誤差也難以避免。而三維激光掃描技術(shù)克服了這些缺點(diǎn)，為儲量監(jiān)測提供了快捷的途徑。本文利用三維激光掃描儀對鞍山市大孤山鐵礦場進(jìn)行了測量，分析探討了三維激光掃描技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)儲量監(jiān)測中的實(shí)用性和適用性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；礦山；動(dòng)態(tài)監(jiān)測；數(shù)據(jù)庫

1 概述

礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測是指應(yīng)用多種技術(shù)手段、多個(gè)時(shí)段和多源數(shù)據(jù)對礦山一個(gè)開始周期時(shí)間內(nèi)礦山空間變化進(jìn)行的監(jiān)視與探測。是按統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)、要求定期對礦山開采單位開采的礦產(chǎn)資源進(jìn)行監(jiān)測、檢查管理，準(zhǔn)確的核實(shí)該礦山礦產(chǎn)資源儲量，了解礦山企業(yè)礦產(chǎn)資源儲量變化情況原因，有效保護(hù)與合理利用礦山礦產(chǎn)資源。

目前礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測采用的是傳統(tǒng)的測量方法，即利用GPS配合免棱鏡全站儀，這些方法在井下或塌陷區(qū)等特殊地形下測量的時(shí)候存在一定的難度。而三維激光掃描儀不但可以采用非常高的分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而且能獲得三維數(shù)據(jù)，因此很容易生成較其它常規(guī)測量方法更為準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型。它比傳統(tǒng)的GPS+免棱鏡全站儀的測量作業(yè)方式，作業(yè)效率更高，優(yōu)勢非常明顯，外業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度也大大降低，安全性也得到保障。

三維激光掃描儀所采用的三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，利用激光測距的原理，通過記錄被測礦山坡體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢。該技術(shù)能夠提供掃描礦山坡體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型，相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。三維激光掃描儀包括地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源及附屬設(shè)備，通過非接觸式高速激光測量方式獲取地形或復(fù)雜礦山坡體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

2 三維激光掃描儀在大孤山鐵礦動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

在該項(xiàng)目中我公司采用Z+F IMAGER5010C三維激光掃描儀。該儀器掃描視角320°×360°，掃描速率為101.6萬點(diǎn)/秒，最高分辨率0.1mm，精度為0.2mm。在外業(yè)工作中首先用三維激光掃描儀對大孤山III號礦體山坡體進(jìn)行掃描，每次觀測按地形需要架設(shè)5-10站不等，每次架設(shè)均采用已知點(diǎn)后視定向觀測，每站測量12分鐘，平均采集碎部點(diǎn)550萬個(gè)，采集到的礦山坡體表面各部分的空間位置信息是以GPS控制點(diǎn)為基準(zhǔn)的。由激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間可以獲得被測目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。最后通過后處理軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，且以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（導(dǎo)入、去噪、拼接、拼接精度檢核、抽稀、輸出），輸出數(shù)據(jù)去噪、線劃提取、圖符編輯、制圖輸出。首先點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理采用Z+F Laser Control軟件進(jìn)行，對采集的單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理去噪，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成公共面片，使用軟件的拼接功能將相聯(lián)系的測站區(qū)域進(jìn)行拼接，軟件自動(dòng)進(jìn)行精度檢查，保證兩站間的拼接精度控制在1mm以內(nèi)，從而完成兩站的數(shù)據(jù)拼接。依次進(jìn)行，得到完成的實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去植被操作，最終得到測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其次生成地形圖，進(jìn)行線劃提取和抽稀輸出，將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS 9.0軟件進(jìn)行圖符編輯，得到最后的礦山現(xiàn)狀圖和礦山坡體標(biāo)高圖。

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM和DTM數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行礦山的采挖測量，在礦山開采前，通過獲取的DEM和DTM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)植被占用面積和土石方量的計(jì)算，最方便的是能實(shí)現(xiàn)直觀的礦量計(jì)算，在礦山開采過程中，能夠精確的獲取采空區(qū)的空間信息，同時(shí)為安全生產(chǎn)通過技術(shù)依據(jù)。通過對比2個(gè)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出大孤山III號礦山開采礦體及礦山實(shí)際變化情況。由于三維激光掃描儀架設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)是GPS加密控制點(diǎn)，采集到的每一個(gè)數(shù)據(jù)都避免了人為誤差，使數(shù)據(jù)相比傳統(tǒng)測量手段測得的數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)，計(jì)算得到的礦山體積變化量也更為精準(zhǔn)。而且精度指標(biāo)滿足了監(jiān)測精度要求。

3 技術(shù)特點(diǎn)

通過此次項(xiàng)目的比較與傳統(tǒng)測量、攝影測量等測量方式相比較，三維激光掃描技術(shù)有明顯的以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)采用率高。傳統(tǒng)的測繪儀器在礦山動(dòng)態(tài)測量中很難采集高密度、高分辨率的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。脈沖激光可以在數(shù)秒內(nèi)采集上千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，相位激光掃描儀可以達(dá)到上萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，突破了單點(diǎn)模式，可以獲得更多的物體空間信息。

（2）精確度高。精度不但高于攝影測量中的解析點(diǎn)而且精度分析均勻，還可以避免表面近似的誤差。

（3）受外界影響小。通過自身發(fā)射的激光回波信號獲取目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，白天黑天都能夠作業(yè)操作，也不像傳統(tǒng)測量對溫度的要求高。

（4）非接觸式數(shù)據(jù)采集。無需接觸目標(biāo)，也不需要反射棱鏡。可以實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。

（5）提供等高線、多種縱橫斷面生成方式，可生成任意的斷面線，生成的斷面可以方便地導(dǎo)出到CAD及其他軟件中作進(jìn)一步加工處理和應(yīng)用。

（6）支持基于點(diǎn)云進(jìn)行形體建模?并且可以手動(dòng)任意建模或智能自動(dòng)建模，能夠精細(xì)再現(xiàn)掃描礦山坡體區(qū)域；另外對所建三維模型進(jìn)行真彩色配準(zhǔn)，相機(jī)彩色圖片可以配準(zhǔn)貼圖到三維模型，內(nèi)業(yè)人員可以有身臨其境的體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

通過本次項(xiàng)目實(shí)踐可以看出，三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)處理方法，為測繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展將使測繪行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。三維激光掃描測量可以對礦山進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行測量點(diǎn)云繪制成圖，最后通過軟件實(shí)現(xiàn)高效的礦山動(dòng)態(tài)測量工作。在今后的工作中可以用于井下測量及一些危險(xiǎn)性區(qū)域人員不能達(dá)到的地方，對塌陷區(qū)、滑坡體、懸崖邊等進(jìn)行測量，結(jié)果直接顯示為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過配套的軟件可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則物體的三維可視化模型，既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行的測量儀器不可比擬的。

在未來的發(fā)展中，礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒗萌S掃描技術(shù)將礦山數(shù)據(jù)整合為數(shù)字礦山，通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立全國聯(lián)網(wǎng)模式，可實(shí)現(xiàn)全國礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測的遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化管理。以后也將勢必?cái)U(kuò)展應(yīng)用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測量等領(lǐng)域，對測量行業(yè)起到顛覆性的作用。

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