三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用

王孟英

摘要：對于露天礦山而言，其生產環境相對惡劣，加之其需要在開采完后及時進行土石填補，所以需要先進的測量技術進行支持。然而對于傳統的測繪技術和手段而言，很難達到理想的要求，無法確保測量結果的效率性精確性。而三維激光掃描儀作為一種新型的快速的測量設備，可以快速準確的生成數字模型，特別適用于露天礦山測量工作中，同時相對比其它測量技術，三維激光掃描儀還具有測量速度快、準確性高以及操作簡單等優勢，所以應用前景十分廣闊。本文首先對三維激光掃描儀相關原理和特點進行分析，進而對其在露天礦山測量中的實際應用進行深入探討，旨在為業內人士提供一些建議。

關鍵字：三維激光掃描儀;露天礦山;測量工作;應用

一、三維激光掃描儀的原理和特點分析

（一）三維激光掃描儀的基本原理

三維激光掃描系統構成部分包括電源供應系統、控制器和掃描儀，通過對CCD與儀器內部控制等系統的集成，發揮出激光測距與激光掃描等功能。儀器中利用兩個同步反射鏡進行快速有序的旋轉，將激光脈沖依次掃描過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物體表面再返回儀器所經過的時間來計算，并對控制模塊控制與測量每個脈沖激光角度進行掃描，將被測物體上激光點的三維坐標計算出來。

（二）三維激光掃描儀的主要特點

相對比傳統的測量手段，三維激光掃描儀主要通過非接觸的方式進行實物的三維坐標獲取，其所獲取的點云格式可以直接在計算機相關處理軟件中應用，極大的提高了測量效率和質量，三維激光掃描儀的主要特點體現在以下七個方面：第一，非接觸性。傳統的測量的手段大都需要人工的介入，在一些復雜地形測量時，很難確保測量結果的準確性，同時也會給人員生命安全構成威脅。而三維激光掃描儀的非接觸性特點，可以在不需要人工介入的情況下獲取實物三維坐標，極大地降低了人工勞動力;第二，測量效率高。三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用效率較高，通常情況下其點位獲取的速度可以達到十萬次每秒，同時該技術還比較適用于一些大面積實物三維坐標信息獲取中，可見其在測量效率方面的優勢巨大;第三，實時主動性。不同于以往的測量技術，三維激光掃描儀可以主動發射信號，不需要憑借外部光源進行測量，通過對發射信號的回波探測，即可實現對實物坐標信息的獲取。另外，三維激光掃描儀的應用還不會受到時間和空間的制約，可以實現全天二十四小時的實時測量;第四，穿透性。由于三維激光掃描儀采樣的間距較小，同時采樣密度較大，所以對于一些植被稀疏的礦區測量，可以確保激光信號直接到達目標實物，獲取目標的不同層面幾何信息;第五，準確性。三維激光掃描儀所獲取的目標信息具有高密度和高精度的特征，并且采樣點分布相對均勻、分辨率較高，所以確保最終測量結果的準確性和可靠性;第六，自動化。

該技術作為數字化時代的主要產物，具有良好的自動化特點，其數據采集、存儲和處理都可以自動完成，極大的降低了人工操作存在的失誤率;第七，融合性。該技術可以與其它測量技術相結合使用，例如三維激光掃描儀與GPS技術的結合，在擁有自身優勢的前提下，還融合了GPS技術的定位功能，可以更加高效的獲取實物的準確信息，最終確保測量結果的準確性。

二、三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用要點

本文主要研究了三維激光掃描儀在與GPS技術相結合的情況下，實現對露天礦山的相關測量工作，詳細環節如下：

（一）建立地面控制網

地面控制網的建立是測量工作的第一個環節，首先需要結合三維激光掃描儀和GPS技術，實現礦山控制網點的選取，然后利用三維激光掃描儀進行高精度的碎部測量，達到建立地面控制網的最終目的。在實際的建立過程中需要注意一點，相關技術的精度標準必須要符合《礦山測量》的規范要求，這樣才能達到實質性的測量效果。

（二）建立礦山模型

在完成地面控制網的建立后，需要在三維激光掃描儀碎部測量基礎上進行點位坐標的獲取，同時還需再次對礦山進行激光掃描，以獲得標準的點云數據群，然后通過相關軟件的后續數據處理和加工，生成露天礦山的DEM數據和點云模型，為后續工作的順利開展奠定基礎。

（三）獲取數字線劃圖

通過建立露天礦山開采模型，可以獲取相關的數字線劃圖。由于1m分辨率的礦山模型，其可以生成精度較高的數字線劃圖，所以對于高精度和分辨率的點云數據模型，可以通過拼接生成1：500～1：5000的數字線劃圖，為后續基礎數據的采集提供必要保障，而三維激光掃描儀在該環節中的作用主要體現在以下幾個方面：第一，對于露天礦山的相關基礎設施，包括控制網點、水塔、辦公區、管線以及消防配電設施等，可以有效進行空間位置的掃描，生成的空間坐標數據的精度較高，而且更加直觀形象，便于后續礦山模型的建立，同時數據在進行矢量化操作后，可以直接作為地形圖要素進行使用;第二，三維激光掃描儀在礦山數字線劃圖獲取中的應用效率較高，并且可以確保線劃圖具有高分辨率的特性。

（四）露天礦山井下設施的沉降監測

對于露天礦山井下作業而言，其安全性十分重要，為了確保人員的安全性，需要進行井下設施的沉降監測，這也是三維激光掃描技術應用的一個要點。因此，在具體的監測時，可以應用三維激光掃描儀對井口設施進行詳細掃描，獲取相關數據，并且通過對數據的長期積累，可以建立相關的數據庫，從而便于工作人員分析設施的沉降變化。另外，三維激光掃描儀還可以實現井口數據的相對水準測量，同時可以確保測量點位信息的豐富性和準確性，數據觀測更加直觀。

（五）其它方面的測量

三維激光掃描儀除了在以上方面具有應用優勢外，在實際的測量工作中，其還可以應用到其它方面，詳細體現如下：第一，露天礦山中沉陷區的測量。由于露天礦山在進行開采時，會造成地面出現沉陷狀況，一旦控制不到位，就可能造成嚴重的事故，而通過三維激光掃描儀可以有效對沉陷區進行測量，建立沉陷區域模型，從而對沉降情況進行有效的評估和決策;第二，礦山巷道的測量。通過三維激光掃描儀進行礦山井下測量時，可以建立井下巷道模型，實現井下開采管理和變形監測相關工作目標，同時在巷道掘進中，可以更加直觀的掌握巷道貫通量和井下場地開拓超欠挖測量等數據，從而極大的提高了礦山資源的開采效率。

三、三維激光掃描儀未來的發展研究

盡管三維激光掃描儀在露天礦山測量中發揮巨大的優勢，但是其也不可避免的存在一些問題，例如誤差因素的存在，所以這也就成為未來一段時間需要重點研究的工作內容。總體而言，三維激光掃描儀在實際應用中存在的誤差包括以下兩方面：第一，儀器自身所造成的誤差。該誤差主要是由于儀器本身的性能缺陷造成的，主要包括激光測距誤差和測角誤差等。激光測距信號處理的各個環節都會帶來一定誤差，主要是光學電子電路中激光脈沖回波信號處理引起的誤差。測距誤差的綜合體現為測距中的固定誤差和比例誤差，可以通過儀器校檢來確定它們的大小;測角誤差主要有水平角測角誤差和豎直角測量誤差，該誤差主要是因為掃描鏡的微小震動、伺服馬達的不均勻轉動等綜合因素引起的;第二，人為操作誤差。操作人員的熟練和細心程度不同會引起地面三維激光掃描儀在對中、整平、目標框選以及各種掃描參數設置等各方面中產生相應的誤差。對于這些誤差，應認真按照規范對中、整平，根據不同的條件合理設置掃描間隔、溫度、濕度、大氣壓強等參數以減小這些人為誤差的影響[1]。

參考文獻：

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