三維激光掃描技術在尾礦庫改造地質測量中的應用

顧傳勝

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230000）

改革開放后的三十年，國內的采礦業得到了快速發展。對于開采完畢的尾礦庫改造過程中會遇到不少問題，就尾礦庫自身而言，經過大力開采活動后尾礦庫地質結構遭到嚴重破壞，其次因外部因素的影響，包括降雨、地震、刮風、過度開采等，都將導致尾礦庫地質結構或地質構造有著不同程度的損壞，由于過快的采礦業發展速度和不合理的開采活動，已開采完畢的尾礦庫地質環境面臨著污染嚴重和破壞嚴重的巨大壓力，所以對尾礦庫改造是十分必要的[1]。

地質測量是尾礦庫改造過程中重要的工作內容，其測量精度和效率將直接影響到尾礦庫改造質量，傳統方法主要是憑借以往的經驗來推測出尾礦庫改造地質測量結果，這種方法不僅測量效率較低，更主要的是測量結果具有一定的主觀性，所以傳統方法已經無法滿足尾礦庫改造地質測量需求，為此提出三維激光掃描技術在尾礦庫改造地質測量中的應用。

三維激光掃描技術作為一門新興的地質測量技術，為尾礦庫空間三維數據的收集提供了一個全新的技術手段，由于該技術具有數據獲取精準、快速的優點，目前已成為尾礦庫改造地質測量的重要技術之一[2]。

從二十世紀九十年代第一臺地面三維激光掃描儀被研制成功并投入使用，在四十年不到的光景里，三維激光掃描技術憑借自身的優勢被應用到各種測量領域中，并在國內外取得了良好的應用成果，此次將三維激光掃描技術應用到尾礦庫改造測量中，形成一種新的測量方法，為尾礦庫改造地質測量提供重要的參考依據。

1 基于三維激光掃描技術的尾礦庫改造地質測量方法

1.1 尾礦庫改造地質數據采集

地質數據采集作為尾礦庫改造地質測量過程中基礎工作，收集到的數據質量對測量結果具有直接影響，為了保證數據采集精度，此次采用三維激光掃描技術對尾礦庫改造地質數據進行采集，三維激光掃描技術對地質數據采集所使用的主要儀器設備有全站儀和精密水準儀，下表為三維激光掃描技術指標。

表1 三維激光掃描技術指標

在對尾礦庫改造地質數據進行采集之前，需要根據尾礦庫現場測量環境以及測量需求確定出穩定、平坦、合適的位置建立三維激光掃描觀測站，利用精密水準儀和全站儀對三維激光掃描觀測站地理位置進行測算，此外還要根據待掃描測量的尾礦庫的面積大小，地理位置以及環境影響因素合理確定出三維激光掃描觀測站點數量。

鑒于通常需要改造的尾礦庫范圍比較大，為了控制三維激光掃描技術精度，不僅要在尾礦庫中心內部布置三維激光掃描觀測站，還要在尾礦庫四周均勻設置觀測站，但是觀測站拼接后發現尾礦庫的地勢最高處會出現地質數據空缺，這主要是由于通常尾礦庫整體地質并不是平坦的，而是有一定的坡度，而精密水準儀和全站儀是架設在尾礦庫的一端，地勢較低，所以在對尾礦庫進行三維激光掃描測量時，激光到達尾礦庫地面的入射角過小，反射回來的地質脈沖信號比較弱，尾礦庫地質比較高的地質數據越來越少，尤其到尾礦庫最高處光線被遮擋住，導致獲取到的地質數據不夠全面，為了解決該問題，還需在尾礦庫中心地質最高位置設置一處觀測站，起到連接作用，使整個尾礦庫地表都有數據覆蓋。

三維激光掃描技術具體數據采集過程如下：①將精密水準儀和全站儀假設到預選設定好的觀測點處，連接電源與網線，當掃描儀器上的指示燈由綠色變成紅色時就可以對尾礦庫進行激光掃描[3]。②將掃描儀器連接網絡，打開HJclone軟件和掃描窗口，在計算機中設置IP地址，將掃描儀器與IP地址連接，點擊HJclone軟件主菜單，將掃描儀器與控制軟件連接進行掃描操作。③在HJclone軟件內根據尾礦庫改造地質測量要求，設置三維激光掃描測站編號、掃描高度、掃描密度以及掃描距離[4]。④根據精密水準儀與全站儀的相對位置，在軟件控制界面選取掃描區域進行拍照與激光掃描，掃描后得到的數據存儲到統一文件中，以此完成尾礦庫地質改造數據采集。

1.2 尾礦庫改造地質數據處理

利用三維激光掃描技術對尾礦庫掃描時，由于天氣、光線、遮擋物、地表植被等外界因素的影響，導致收集到的數據不夠全面，并且采集的數據不全是關于尾礦庫的數據，所以需要對采集的數據進行處理[5]。首先對原始數據進行簡化壓縮處理，刪除無效數據與無關數據，將所要研究的尾礦庫數據進行提煉，為了避免在數據處理過程中出現數據誤刪現象，對數據處理過程需要分批次進行，并且每次處理過后的數據要進行備份。然后對刪減后的數據進行拼接處理，拼接處理就是將尾礦庫所有觀測站點的數據轉換到同一個坐標系內，將其形成一個統一的整體，以此完成對尾礦庫改造地質數據處理。

1.3 尾礦庫改造地質分析

雖然經過數據處理后會得到精簡后的尾礦庫改造地質數據，但是數據整體基數還是比較大，如果直接對其進行分析，具有一定的分析難度，所以此次利用三維地質模型對尾礦庫改造地質進行分析[6]。

三維地質模型是由空間離散的密集點構成，將處理后的數據輸入到三維地質模型中，每個地質數據都能與模型上的密集點進行對應，然后通過模型固有的算法對數據進行模擬，表達出尾礦庫改造實際結構形態的拓撲關系，通過三維地質模型分析出尾礦庫改造地質特征，以此實現了基于三維激光掃描技術的尾礦庫改造地質測量。

2 實驗

實驗以某尾礦庫為實驗對象，該尾礦庫整體面積為12665m2，年受尾量為150萬噸，總庫容達到1564萬m3，其中有效庫容為1469萬m3，最終壩體標高175m，屬于三等尾礦庫，該尾礦庫采用的是下游式筑壩，為凹谷型尾礦庫，由于該尾礦庫內部出現局部坍塌，急需對其進行改造。實驗利用此次提出測量方法與傳統方法對該尾礦庫改造地質測量，對比兩種方法的測量偏差，其計算公式如下：

公式（1）中，d為數據采集點到尾礦庫中心的距離；s為數據采集點到尾礦庫邊緣之間的最短距離；λ為測量站點數據。利用上述公式計算兩種方法的測量誤差，實驗結果如下表所示。

表2 兩種方法測量誤差對比（m）

從上表可以看出，此次提出方法在測量誤差方法遠遠優于傳統方法，且低于標準誤差，證明此次提出方法可以滿足尾礦庫改造地質測量精度要求。

3 結語

此次將三維激光掃描技術應用到尾礦庫改造地質測量中，形成一種新的測量方法，且該方法具有較高的測量精度和測量效率，對尾礦庫改造地質測量具有良好的應用價值，由于此次研究時間有限，對于三維激光掃描技術在尾礦庫改造地質測量中的應用研究尚淺，今后還需要在該方面進行深入研究，推廣三維激光掃描技術在尾礦庫改造地質測量中應用。