基于3D激光掃描的金屬礦測量方法研究

高永峰

（西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩 850212）

1 金屬礦礦山開采和工程測量技術的應用

1.1 工程測量技術

現階段，在礦山測量中，為提高測量的應用效果，必須根據測量技術應用要求改變測量技術模式，合理調整技術應用體系，使測量技術能為礦山開采提供可靠的指導，同時也是為促進礦山測量技術的發展，使技術可以滿足工業發展要求的標準，為企業長期經濟發展奠定基礎[1]。

1.2 金屬礦山開采

金屬礦山開采中，為更好地了解金屬礦山開采的質量和效果，需要按照金屬類別和具體技術要求進行開采。而前期條件時必須詳細了解礦山現場實際情況，有針對性地選擇合適的測量技術，才能為采礦人員及時提供準確全面的開采信息，能夠準確地了解開采的未來發展趨勢。

1.3 在金屬礦山測量中工程測量技術的應用

1.3.1 應用對策

一般而言，為更好地展示開采和技術應用的質量，需對技術中地質、礦體情況與礦石分布等模塊進行建模，即采用三維建模分析法，通過三維建模應用來實現對整個金屬礦山測量的技術應用分析，能為金屬礦山的開采提供切實有效的保障，提高金屬礦山測量技術的應用水平和效果[2]。

1.3.2 開采精密探索

在現階段的金屬礦山開采技術應用中，為更好地展示技術的應用質量，必須明確精密開采技術的應用方式，并處理好精密技術應用在金屬礦山測量中的實踐效果，為金屬礦山的開采提供可靠參考。比如在金屬礦山開采技術應用中，根據開采技術的應用要求對精密開采方式的應用進行合理調整，保證測量技術能實現金屬礦山工程測量和開采對精密度的要求。

2 3D激光掃描技術概述

2.1 3D激光掃描技術的含義

3D激光掃描技術指的是通過三維幾何模型的構建，結合精密的三維測量儀器，伸入到采礦區域進行探測，主要可以進行礦井和儲藏量的測量、體積的測量以及運輸路線的分析、穩定性檢測、地下開發測量和地質圖繪制等。通過三維數據掃描可以獲得精確的采礦區的空間結合數據，比如長度、面積、體積等信息。

2.2 3D激光掃描技術的應用優勢

和傳統的勘探開采技術相比較，3D激光掃描技術的技術含量更高，同時具有實時動態、無接觸、精確高效和數字化的特征，考慮到金屬礦消耗數量與種類在不斷增加，加上該類礦往往隱藏在地面深處，開采難度較大，為此采用該技術能有效提高礦山勘探開采作業的效率與質量。具體優勢總結如下。

對于大多數金屬礦山，所在區域的地質結構往往非常復雜，而且因為隱藏較深，其中不乏縫隙、溶洞等不穩定的結構，因此在對于金屬礦山的探勘開采中會遇到很大的難題，存在的安全隱患較大。為保證勘探開采測量的安全性，采用3D激光掃描技術能在空間作業的基礎上開展測量工作，采用精密探測儀器測量到采礦區的空間形狀形態等，還能實現對這些采集信息的數字化和集成化，并結合成像技術展現出來，能為金屬礦科學合理的開采以及安全管理提供有效依據[3]。

2.2.2 解決空間復雜和構造復雜的問題

金屬礦區開采受到本身自然環境和開采作業活動的影響，在地表存在大量設備、原料、礦石和廢渣等，采用傳統的地面勘探測量手段無法保證工程順利開展，甚至會影響測量結果的準確性，采用以人工為主導的勘探手段也不能有效應對復雜的地下巷道測量，尤其對于一些已經被廢棄的或者正在開發的巷道，在一個復雜的破碎的體系中難以實現全面有效的測量。此外，對于復雜的構造，常常以變量形式存在，空間數據以動態形式存在，因此對于數據信息的監測難度就更大。而通過3D激光掃描技術的應用，有一方面可以解決空間復雜的問題，另一方面可實現對數據信息的動態監測、收集和管理，這些都是傳統測量技術和人工處理無法達到的。

2.2.3 解決了分辨率的問題

采用傳統測量方式，對于搜集到的數據最終制成的是二維平面圖，無法完全地展示出空間測量的情況，誤差較大。而采用激光掃描技術，具有數字化、自動化和動態化的特點，因此可實現對井下被測對象空間位置信息的測量，數據更加全面和準確，而且通過三維建模能夠更加形象直觀地觀測到礦山巷道信息和地質環境的信息[4]。

3 3D激光掃描技術的應用原理

3D激光掃描技術的應用原理如下：采用快速準確的激光測距儀，以及可導引激光以等速度掃描的反光棱鏡和高清晰度高分辨的攝像機，其中激光測距儀使用的是脈沖式測量方式，不僅可以主動發射激光，而且能接受來自自然物體反射信號進行測量，對于每一個掃描電都能測量得到測站到掃描點的斜距和豎直角、水平角，然后可以求出測站點和掃描點之間的坐標差，若定向點與測站點坐標已知，則可以求得每一個掃描點的三維坐標。

4 3D激光掃描技術在金屬礦山測量中的應用

4.1 掃描方案設計與數據的獲取

考慮到金屬礦山礦產資源的顏色大多數是深色，尤其是露天礦山資源大部分是黑色，所以對于激光的反射率很低，最大的測距也只有400m左右，為保證測量結果的全面準確，就需要設置多個測量站點、準備多臺測量儀器。經過多年的實踐總結和具體工程考察，得出應在視野比較開闊的幾個地方分別設置觀測點、架設測量儀器然后進行激光掃描。每一個觀測點都應該分別使用近距離標準測量與遠距離精密測量兩種，且在標準模式的要求下是一周用時4min，在精密測量模式下一周也只需要用時12min～13min，和全站儀測量相比，采用激光掃描技術進行測量的時效至少提高了200倍。

4.2 數據處理和模型建立

根據預設目標對經過三維激光掃描測量收集到的數據進行及時處理，經過一系列的計算和曲線變化圖繪制后，可得到正確的結論，該結論可為實際的金屬礦山開采提供依據。在實際礦山測量時需了解礦石的物理性質，因此需分類進行數據收集和總結討論，可滿足不同金屬種類的開采需要。以下對具體數據處理以及數據模型的建立進行簡單介紹。

對于權重矩陣Q、R、S的選取，根據前文對系統動勢能、消耗電能以及系統狀態量x和α偏差函數的建立，易求得：

4.2.1 平滑掃描數據

平滑掃描數據指的是使觀測點和觀測點之間的距離變得均勻，從而縮小測量的誤差。包括連續表面平滑與不連續表面平滑兩種，其中前者指的是所有的觀測點都應該在其上面的平面，后者指的是在在較遠的距離上有前景數據與對象。在進行數據處理時，要求對現場環境進行詳細的了解，對于樹木、燈柱這些自然景觀更適合用于不連續的平滑掃描，而對于墻壁等建筑構筑物則適合采用連續的平滑掃描。

4.2.2 過濾數據

過濾數據的設置應采用孤點過濾，一般選擇2m作為過濾點之間的間隔，這一點需要在菜單欄中提示。如果在一個點的方圓2m范圍內沒有其他的觀測點則該點也會被過濾掉。然后開展最小間隔的過濾，也就是要考慮金屬礦勘探測量對精確度的要求，至少連個點的距離在20cm左右，所以在進行模型建立時，對于過濾數據的設置，應根據實際情況以及測量的需要合理選擇和操作。在選擇好以后對數據進行修改完善，刪除無用的點并再次進行孤點過濾形成完整的點陣圖。

4.2.3 平面三角化點云

在三角化過程中，必須確定的是三角網的最小角與最大邊，為控制TTN的精確度與結構，在表面模型構建時包括球面三角化與平面三角化，其中前者主要應用在具有復雜結構的單個掃描數據中，后者是在橫縱軸二維坐標平面中設置三角網，建立激光掃描點的二維三角網，為三維激光掃描測量奠定基礎。對于多站點激光掃描而言，還需要做好坐標的匹配登記和糾正，然后才能建立起包含多個觀測點的三維模型。

4.3 坐標匹配和坐標糾正

若激光掃描測試不在已知點上進行，因此被掃描的掃描點云圖坐標系為任意，不可直接利用該坐標系進行露天煤礦測區的模型建立，需要先進行準確的坐標匹配和登記，才能使多幅點云圖歸入到統一坐標系中，然后在坐標糾正以后才可進行模型建立階段。糾正坐標的正確操作是，將點云納入到地面測量坐標系統中，然后在掃描區附近或掃描區中的控制點設置標靶，使與控制點符合就能將相鄰掃描點云圖統一到相同的坐標系中，這樣全方位的坐標糾正可避免坐標轉換時出現轉換誤差的不斷積累。此外，球形標靶指的是使用反射率較高的材料制成的圓球將其放在控制點上，采用礦山測量的方式獲得球心，要求測量時每一個激光掃描測站必須掃描2個及其以上標靶球，在標靶球掃描坐標計算以后再根據三維坐標轉換進行坐標糾正。

4.4 挖礦體積測量和開采量計算的應用

對礦體體積量進行測量計算，所測量的挖礦體積實質就是本月和上個月礦體表面所圍成的體積。為方便計算開采量，對所有平面進行修剪并保證每一次測量是對所有觀測點的激光掃描測量，然后綜合兩種技術方法形成總點云，在坐標糾正后再進行修剪，或者在修剪后再進行坐標糾正都可以。每一個建立的模型都能計算出挖礦體積，該體積包括了多次激光掃描結果計算出的挖方量與體積，根據這些數據就能計算出相應的每月生產量，若與設計目標接近，或每一個月的生產量都接近，則表面該礦山的開采是穩定的，也能通過這些數據對實際開采活動進行調整，能有效減少安全隱患的出現，保證礦山開采的安全和有序。

4.5 巷道3D模擬

在井下巷道測量工作中，也可使用3D激光掃描儀器進行井下巷道三維建模并模擬井下作業的真實情況，可自由設置測站點也可倒立或傾斜設置。在開展地下巷道測量工作時可在每一個巷道交叉口設置測站點，只需輸入后視點與測站坐標，利用計算機軟件輸入測量得到的數據，然后開展數據平滑掃描、孤點過濾和最小間隔過濾等一系列操作后，可采用手工方式糾正坐標。由于在坐標測量時已經輸入了礦山坐標系的控制點坐標，為此在進行坐標匹配時可直接通過高精確度的高程圖根控制就能得到，并在不同時間段分別測量，最后取沒有異常情況下的平均值，當無法固定時間段，則測量得到的數值可能會出現偏差，在該段時間內則不能進行圖根控制測量。對于碎部點的測量要求較低，在初始后觀測10再觀測一次即可滿足測量精確度的要求。通過井下巷道三維模型的建立，可查詢獲得巷道的等高線模型、表面積和容積等指標。

5 結語

綜上所述，本文結合3D激光掃描技術的應用優勢，分析了將該技術應用到金屬礦山測量中的具體步驟和取得的效果，認為該技術不但可以獲得準確全面的三維數據信息，而且還能對計算挖方的量，為金屬礦山的勘探開采提供更好的服務。現階段，該技術已經成為國內礦山開采中的核心技術，并朝著更加精確化的方向發展，為礦山的開采奠定良好的技術條件。此外，該技術的適用性較好，對于地下巷道以及其他復雜的、破碎的、雜亂的結構，都能采用精密的測量儀器獲得詳細準確的三維信息。但該技術在實際應用時還會受到一些現實條件的約束，比如操作人員的技術水平、在盲點掃描地帶的應用等等，這些還需要進一步研究與改進才能進一步提高金屬礦山測量結果的準確性。