基于三維掃描測量的礦山測繪系統(tǒng)應(yīng)用

皮廷亮

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

近年來，隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，三維掃描測繪技術(shù)也取得了重大突破，原本傳統(tǒng)的測量方式是單點(diǎn)測量，如今該技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢就在于有著更高效率和更高精度。可以實(shí)現(xiàn)對空間點(diǎn)位信息的大量、快速采集，將物體三維影像模型非常快速地建立出來的一種技術(shù)方法，如今應(yīng)用越來越廣泛[1]。與此同時(shí)，該技術(shù)的拓展性也是比較強(qiáng)的，在不同的空間形態(tài)也能夠得以適應(yīng)，不但可以使測量的精準(zhǔn)性得到一定保證，還可以將采區(qū)三維數(shù)據(jù)模型同時(shí)生成出來，以及使得測繪人員的人身安全得到最大限度的保障。

1 三維掃描測量技術(shù)原理

在測繪領(lǐng)域，該技術(shù)算得上繼RTK 技術(shù)以后的一次技術(shù)革命，又被稱之為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。跟傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法相比，它利用激光測距，有高效率、高精度的諸多優(yōu)勢。三維掃描測量是無合作目標(biāo)激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)，被測物體即便在較為復(fù)雜的空間和現(xiàn)場都可以被快速掃描測量，凡是激光點(diǎn)所接觸到的，該物體表面的反射強(qiáng)度、斜距、天頂距、水平方向等相關(guān)信息都能夠直接獲取到，然后這些數(shù)據(jù)信息會被自動存儲下來并進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)計(jì)算，從而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。然后計(jì)算機(jī)會對點(diǎn)云數(shù)據(jù)再次進(jìn)行一些處理，再借助一些軟件，比如3dmine、CAD、Cass 等等，那么被測物體就能夠以三維模型的形式被快速重構(gòu)出來，并順便獲得各種圖件資料，比如空間、體、面、線等。此外，該技術(shù)由于還能夠?qū)δ繕?biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行大量、密集地采取，所以相對于過去的單點(diǎn)測量，無疑是一種革命性突破，已經(jīng)從過去的單點(diǎn)測量進(jìn)化成為了如今的面測量。

2 三維掃描測量優(yōu)勢

2.1 非接觸測量

該技術(shù)在對目標(biāo)物體進(jìn)行測量的時(shí)候，并不需要對任何表面進(jìn)行額外的相關(guān)處理，僅僅需要將物體表面的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行直接采集就可以了。

如此一來，一些人員難以企及的目標(biāo)、所處環(huán)境較為惡劣的目標(biāo)、較為危險(xiǎn)的目標(biāo)等等，都可以借助該技術(shù)完成測量，這就是所謂的非接觸測量。

2.2 數(shù)據(jù)采樣率高

該技術(shù)由于采用的是時(shí)間激光又或者脈沖激光，所以其采樣速率是非常快的，通常能夠達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒。而如果測量的時(shí)候采用的是相位激光方法，這個(gè)數(shù)值甚至能夠達(dá)到數(shù)十萬。

2.3 主動發(fā)射掃描光源

目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息主要是通過對自身發(fā)射出去的激光回波信號進(jìn)行探測，從而獲取到的，所以整個(gè)掃描過程并不會受到掃描環(huán)境的太大影響。

2.4 高分辨率、高精度

該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度、高速率獲取，能夠?qū)呙鑼ο筮M(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，而且是高密度的，如此使得所構(gòu)建的模型有著較高的分辨率。

2.5 數(shù)字化采集、兼容性好

該技術(shù)所采集到的數(shù)據(jù)由于是直接獲取的數(shù)字信號，從而帶有數(shù)字化特征，使得后期的處理及輸出變得更加輕松，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享的時(shí)候，能夠與其他常用軟件實(shí)現(xiàn)對接。

3 三維掃描測量成果與露天礦生產(chǎn)過程的結(jié)合

通過野外掃描數(shù)據(jù)收集，掃描成果有測量的采掘方量驗(yàn)收、采場邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡位移監(jiān)測、采場和排土場現(xiàn)狀圖、尾礦庫測量等等。地質(zhì)方面的巖層界線提取和邊坡巖土工程分析。

采礦工藝方面有生產(chǎn)計(jì)劃編制、露天卡調(diào)系統(tǒng)、采掘區(qū)域爆破設(shè)計(jì)、超欠挖分析、采礦損失、貧化、回收率統(tǒng)計(jì)、露天礦山設(shè)計(jì)等。

4 LR3-CT在某露天礦山中的應(yīng)用

4.1 采掘方量驗(yàn)收

LR3-CT 進(jìn)行露天礦山采場驗(yàn)收測量是通過對比兩期數(shù)據(jù)模型，從而計(jì)算兩期間的采掘方量。依據(jù)實(shí)測模型圈定采掘區(qū)域范圍線，再應(yīng)PointStudio 中的體積統(tǒng)計(jì)功能，可以一鍵統(tǒng)計(jì)多區(qū)域體積。

4.2 邊坡參數(shù)統(tǒng)計(jì)

LR3-CT 配套軟件可以快速統(tǒng)計(jì)露天邊坡平臺寬度、坡面角度等參數(shù)，方便礦山邊坡安全管理。

4.3 巖土工程分析

邊坡穩(wěn)定性與其節(jié)理構(gòu)造發(fā)育有關(guān)，應(yīng)用LR3-CT 三維激光掃描儀可以快速采集邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)采集影像信息，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)理構(gòu)造提取，生成相關(guān)地質(zhì)圖件，如赤平投影圖，地質(zhì)玫瑰圖，邊坡穩(wěn)定性分析。

4.4 邊坡監(jiān)測

4.4.1 邊坡曲線分析

監(jiān)測系統(tǒng)可將三維激光掃描儀采集的邊坡數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理，可自定義邊坡區(qū)域，軟件自動分析繪制該區(qū)域的位移曲線、速度曲線、反速度曲線等，并可實(shí)現(xiàn)變形區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)查詢，保障數(shù)據(jù)的完整性[3]。

4.4.2 邊坡監(jiān)測實(shí)時(shí)性

Maptek LR3-CT 三維激光掃描儀擁有IP65 的防護(hù)等級和高防震設(shè)計(jì)，基本保障了掃描儀長時(shí)間持續(xù)監(jiān)測。使用太陽能蓄電池供電或者其他不間斷電源持續(xù)供電；使用光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以連接監(jiān)測點(diǎn)與調(diào)度中心，使數(shù)據(jù)與結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸回調(diào)度中心。

利用配套的Sentry 軟件可實(shí)現(xiàn)掃描儀數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)自動處理與統(tǒng)計(jì)分析，通過Sentry 軟件對監(jiān)測區(qū)域及監(jiān)測數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)同一監(jiān)站對多個(gè)被檢測區(qū)域進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測。

4.5 LR3-CT 施工質(zhì)量檢測

露天礦開挖過程中，受爆破和采掘影響，將出現(xiàn)超、欠挖現(xiàn)象，更多的圍巖或者低品位礦山開采將直接增加生產(chǎn)成本；開采外置或者采掘不完全將直接導(dǎo)致資源浪費(fèi)，此二者均給企業(yè)與國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。隨著地質(zhì)勘查與生產(chǎn)設(shè)計(jì)裝備水平不斷提高，地質(zhì)勘查越來越詳細(xì)與及時(shí)，生產(chǎn)設(shè)計(jì)采用大量專業(yè)設(shè)施工具軟件，同時(shí)配套三維激光掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，使得設(shè)計(jì)越來越精確，生產(chǎn)驗(yàn)收效率與精度都越來越高。

我們期望一個(gè)工具可以自動計(jì)算大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確對比，以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)精細(xì)化管理，因此應(yīng)用LR3-CT 并配合PerfectDig 可實(shí)現(xiàn)露天礦山超欠挖的實(shí)時(shí)查詢，并統(tǒng)計(jì)超、欠挖工程量。

4.5.1 超、欠挖實(shí)時(shí)查詢

應(yīng)用PerfectDig 軟件可以在掃描的同時(shí)，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場的超欠挖情況，為后期計(jì)劃提供依據(jù)。軟件提供了自動數(shù)據(jù)拼接、自動數(shù)據(jù)過濾、自動數(shù)據(jù)建模等功能，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢提供了可能，為礦山標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了依據(jù)。

4.5.2 超、欠挖量計(jì)算

LR3-CT 在掃描現(xiàn)場時(shí)，可快速計(jì)算現(xiàn)場的超欠挖量，及時(shí)分析現(xiàn)場情況，為現(xiàn)場清理和爆破優(yōu)化提供依據(jù)。可及時(shí)分析邊坡傾角，為邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)，如圖所示。

4.5.3 成果快速發(fā)布

超欠挖分析結(jié)果，可輸出為PDF 報(bào)告，也可以發(fā)布到網(wǎng)上，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，如圖所示。

圖2 完成三維掃描測量后輸出數(shù)據(jù)報(bào)告

4.6 LR3-CT 建筑物及設(shè)備掃描

LR3-CT 可以快速采集建筑物及設(shè)備點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為礦山數(shù)字化建設(shè)提供基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)。

4.7 LR3-CT 隧道掃描

LR3-CT 可以配合全站儀掃描隧道現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云三維重構(gòu)，可以快速建立隧道三維模型，可實(shí)現(xiàn)隧道支護(hù)厚度檢測、橫斷面測量、隧道超欠挖分析、變形檢測及應(yīng)力分析。

5 總結(jié)

總而言之，三維掃描測量技術(shù)是一項(xiàng)測繪新技術(shù)，有著精確、高效、快速等諸多優(yōu)點(diǎn)，由于一旦開采礦山過程中遭遇到任何相關(guān)阻礙因素都可能造成更加嚴(yán)重的安全事故發(fā)生，所以為了進(jìn)一步確保現(xiàn)場工作人員的人身安全，那么就需要將三維掃描測量科學(xué)合理運(yùn)用起來，如此一來，不僅能夠使得礦山開采效率得到大大提升，能夠有效控制各個(gè)重點(diǎn)要素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而為現(xiàn)場工作人員的人身安全提供最大限度的保障，進(jìn)而助力我國礦山開采工作得以實(shí)現(xiàn)有序開展，使得相關(guān)工序得到切實(shí)的維護(hù)。