三維激光掃描技術在礦山測量中的應用

黃宏暢 謝琪

摘 要：三維激光掃描技術是目前世界上比較先進的進行地形和礦山測量方式，與傳統(tǒng)礦山測量方法相比，該技術具有數(shù)據(jù)點密集、精度高、速度快、成本低和使用方便的特點。本文討論了常規(guī)礦山測量存在的問題和不足以及三維激光掃描技術應用的優(yōu)勢，并給出實際案例說明三維激光掃描技術在礦山測量中的應用，以給礦山測量工作者提供一些借鑒和思路。

關鍵詞：三維激光掃描技術；礦山；測量

1.引言

三維激光掃描技術是目前世界上比較先進的進行地形和礦山測量方式，其技術應用在礦業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)成為地下采場和空區(qū)測量的主要手段，尤其是對危險和人員無法進入的空區(qū)探測中。三維激光掃描技術可以有效解決復雜礦山開采區(qū)的測量精度問題，同時提供全景影像數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)、圖像和實際開采過程達到協(xié)調一致。與傳統(tǒng)礦山測量方法相比，該技術具有數(shù)據(jù)點密集、精度高、速度快、成本低和使用方便的特點。

2.三維激光掃描技術介紹

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，因而可以提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，該技術主要用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。

三維激光掃描技術在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災害評估、船舶設計、數(shù)字城市、軍事分析等領域有很多嘗試、應用和探索。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照載體不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。按照掃描方式不同，可以分為脈沖式三維激光掃描和相位式三維激光掃描。在露天礦、金屬礦井下作業(yè)以及一些危險區(qū)域等人員不方便到達的區(qū)域，如塌陷區(qū)域、溶洞、懸崖邊等均可以應用三維掃描技術進行測量勘測。

3常規(guī)礦山測量存在的問題

3.1礦山測量現(xiàn)狀

礦山測量是在礦山建設和采礦過程中，為礦山的規(guī)劃設計、勘探建設、生產(chǎn)、運營管理或礦山報廢等進行的測繪工作。主要內容包括建立礦區(qū)地面控制網(wǎng)、繪制礦區(qū)地形圖、礦山施工測量、礦體幾何圖形繪制或地表移動沉降觀測等。

礦山測量是礦山生產(chǎn)建設中最重要的技術工作之一。是保證礦山安全生產(chǎn)的前提。我國礦山企業(yè)的長期發(fā)展過程中忽視了礦山行業(yè)的基礎性工作，尤其是測量技術更是薄弱，由于長期對測量工作不夠重視，專業(yè)的測量工作者較為缺乏，人才的流失也使礦山測量技術力量受到嚴重影響。

3.2 常規(guī)礦山測量的不足

礦山的采礦面都是凸凹不平的，常規(guī)礦石測量是在采區(qū)的范圍內，選擇一定的地形特征點，一定間隔距離進行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)這些點來進行礦體的計算。對常規(guī)礦山測量來說測量的準確性主要取決于立尺點的數(shù)量、立尺點的位置、選取的計算模型等。常規(guī)礦山測量的不足主要表現(xiàn)在：

理想的立尺點較難到達。對于不夠平坦的礦山來說，采掘面復雜，坑道縱橫曲折，作業(yè)人員無法深入，找準特征點的位置并達到密度要求有一定困難。因此不管采用哪種方式計算礦體，與實際開采狀況相比都存在較大誤差。很多礦山的開采都要經(jīng)過多次核算或補做作業(yè)才能完成，這也影響了礦山探測的可靠程度。

工效低。常規(guī)下一個作業(yè)小組要完成一個礦山的全部測量工作需要至少2天時間，而礦山儲量動態(tài)監(jiān)管的時效性較強，一般作業(yè)時間只有2至3個月，因此需要投入的人力與當前作業(yè)單位的實際生產(chǎn)能力有一定差距。

存在一定安全隱患。測量人員在陡峭的山體上樹立建標，在崩塌的巖石下進行測量等均存在很大的安全隱患。

不能繪制礦山立體圖像。常規(guī)測量只有數(shù)據(jù)，工作人員只能從數(shù)據(jù)上進行判斷，不能形成感官性較強的三維立體圖像，不能全面把握礦山的整體開采狀況。

4、三維激光掃描技術進行礦山測量的優(yōu)勢

獲取客觀真實的數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術所采集的數(shù)據(jù)量遠遠大于常規(guī)礦山的測量數(shù)據(jù)，而且不受氣候、地形影響，不管什么狀況的礦山都能精確測定其表面的任意點坐標。

動態(tài)分析技術。利用三維激光掃描技術不但可以獲取高分辨率的三維點云數(shù)據(jù)，并且可以快速生成數(shù)字高程模型，形象、準確的對礦山進行動態(tài)分析，實景顯示現(xiàn)階段礦山開采狀態(tài)和已經(jīng)開采的數(shù)量以及開采區(qū)域內現(xiàn)狀等，在提高了數(shù)據(jù)精度的同時也提高了工作效率。

礦體監(jiān)測。實際應用中，三維激光掃描儀可匹配校準過的數(shù)字相機，同時完成現(xiàn)場場景的照片拍攝，并通過專用處理軟件，自動將拍攝的照片像素加載到點云上，生成實際顏色的三維點云數(shù)據(jù)，可直觀、精確地對礦區(qū)地形變化，礦體變化等進行監(jiān)測。

5、應用案例

硬件部分使用設備為U-ARM系列高精度三維激光掃描儀，該設備為脈沖式地面三維激光掃描設備，具有5mm測量精度，最遠測距可達1250m，整機具備IP65防護等級，可連續(xù)使用4H以上，U盤存儲。軟件部分使用配套軟件，具備點云預處理，全景與點云配準著色、點云分類濾波、測圖，提取矢量要素、體積計算、預警分析等功能。

該應用案例主要采集航道區(qū)域的點云及全景，確定滑坡邊界位置?，F(xiàn)場環(huán)境為北方某露天礦坑，常年風沙巨大，車輛運輸較為頻繁。傳統(tǒng)方式一般采用免棱鏡全站儀觀測滑坡體局部特征點，只能采集單點數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常有限，不能很好的對滑坡做好勘查、監(jiān)測工作。若采用無人機通過傾斜攝影測量來進行數(shù)據(jù)采集，但是精度并不是很理想，同樣無法滿足要求。

應用三維激光掃描技術的總體技術路線如下：

設置掃描參數(shù)對外業(yè)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，通過對標配靶標精確掃描，并采用后視定向的方式獲取絕對坐標位置。

精掃三個標靶后，提取標靶點中心位置，進行三坐標七參數(shù)轉換?？赏ㄟ^RTK連接組件進行后視定位定向方式轉換坐標，將外業(yè)RTK數(shù)據(jù)通過固定參數(shù)轉換為掃描儀相位中心點作為定位點，將后視定向靶標通過固定參數(shù)轉換為標靶中心點作為定向點。

工程數(shù)據(jù)內業(yè)處理步驟有：首先使用JRC 3D Reconstructor軟件進行點云預處理，全景與點云配準著色，點云分類濾波；然后進行測圖，提取矢量要素；最后生產(chǎn)DEM、DWG及滑坡區(qū)域預警分析。

數(shù)據(jù)成果包括礦山點云、礦山數(shù)字高程模型、礦山數(shù)字線劃圖等。

由于需要確定滑坡邊界位置，結合地質資料確定地層巖性從而判斷地質結構應力，并反演不同應力結構下的地層可能滑坡的整體方量、坡度角度及下滑的可能位置。

最后進行滑坡量計算，計算出滑坡總面積和總挖方數(shù)量。

從上面的應用案例可以看出，三維激光掃描技術可以將礦山的所有實景信息復制到計算機，極大的提高了測量效率，節(jié)約了人力物力并縮短了勘測周期，將實景信息轉換為計算機可以瀏覽和分析的高密度數(shù)字化信息，從而實現(xiàn)數(shù)字礦山的精準管理。根據(jù)三維激光掃描技術將獲取的三維激光點云數(shù)據(jù)形成礦山的數(shù)字模型，在此模型上可以提取多種高精度、高密度數(shù)據(jù)信息，如任意位置長度、距離、體積、面積等；將多次掃描的數(shù)據(jù)模型進行疊加分析，可精確地計算出目標的結構形變、位移以及變化關系等，為指導礦山安全生產(chǎn)提供真實可靠的基礎數(shù)據(jù)。

6.總結

三維激光掃描技術以高密度、高精度和高效率的測量手段，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)過程中地形測圖、堆體體積計算、礦區(qū)沉降觀測等工作，是實現(xiàn)礦山高效、精細化生產(chǎn)的有效保障。通過實踐應用發(fā)現(xiàn)使用三維激光掃描技術進行測量工作明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量技術。隨著礦山行業(yè)對安全生產(chǎn)要求的不斷提高，開采勘探過程中對數(shù)字化、智能化、信息化的設備需求的增多，三維掃描技術因其自身的技術優(yōu)勢將在礦業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮越來越大的作用。

參考文獻

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[2] 王力，李廣云等，三維激光掃描技術在礦山治理中的應用[J]，測繪通報，2013增刊

第一作者：黃宏暢，男，1986年11月，湖北紅安，大學本科，研究方向：三維激光掃描技術在測繪中的應用，測繪助理工程師，廣州南方測繪科技股份有限公司武漢分公司。