長測距三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用

劉天奇

（中化地質礦山總局福建地質勘查院 福建福州 350013）

0 引言

隨著智能礦山理念的發展， 借助現代化科學設備例如三維激光掃描儀， 開展露天礦山測量成為當前行業主流的應用方式。 智能化礦山測量設備的應用，一方面極大提升了傳統礦山測量工作的效率和質量， 另一方面為露天礦山其他工程的應用提供重要的參考。

1 長測距三維激光掃描儀的測量原理

1.1 長測距三維激光掃描儀的組成以及坐標反算理論

三維激光掃描儀，主要由激光測距系統、影像掃描系統、數據控制系統以及內部攝像系統等相關核心構件組成。 其測量工作的核心功能為距離測量， 借助不同點位與目標之間的距離進行反算得出三維坐標，實現距離的有效計算。 三維激光掃描儀， 通常是按照既定的旋轉軌跡以及間隔發射的掃描激光，以某種特定角度進行掃描。以α 與β 代表水平角度與垂直角度，借助測量激光從發射、反射、接收等相關過程的總體時間t，來確定目標物與掃描儀的具體距離，如式（1）～（3）所示，結合圖1 進行計算。

圖1 三維激光掃描儀坐標計算圖

1.2 長測距三維激光掃描儀的基本測距原理

通過對三維激光掃描儀設備的系統化分析， 其設備的測距原理，主要分為脈沖式、相位式以及三角式等3 種形式，其中脈沖式測距原理是最為常見的應用模式。 主要依據測量脈沖信號的往返時間t 與脈沖信號在空氣中的傳播速度v 進行計算分析。 通常計算公式參考式（4）：

在測試過程中，為了提升脈沖信號數據計算的準確性，尤其是往返時間的準確性， 工作人員需要借助三維激光掃描儀的內部額外增加一個脈沖計算器進行輔助運算， 特別是脈沖信號處于發射階段時，極有可能會讓設備觸發計數功能。 當信號返回時，會立即觸發停止功能，特別是脈沖計數器數量為N時，脈沖頻率為F 設定，可以計算出脈沖時間t，計算公式為：

1.3 長測距三維激光掃描儀儀器參數

長測距三維激光掃描儀儀器參數數據可以參考表1。

表1 長距離三維激光掃描儀儀器參數列表

2 露天礦山測量實踐應用

2.1 工程概況

以某礦山工程為案例，相關內容的測量工作，選用三維激光掃描儀開展測量驗收工作。 礦山屬于露天銅礦，采礦面積約為1.66 km2，礦山西面、背面存在林賽湖，東面靠山，在采礦區的南部、北部的植被相對茂盛，東部以及西部較為稀疏，具體測區的落差最大值為240 m。 根據相關情況，采用三維激光掃描儀進行采剝工程測量驗收， 結合相關數據對測量的有效性與準確性進行實踐分析。

根據三維激光掃描儀對礦山現場測量工作的實際操作流程進行分析，首先開展礦山測量數據采集工作。 利用三維激光掃描儀的測量功能， 在礦區四周視覺良好區域設定5 個不同控制點，利用礦山的CORS 基站，對5 個控制點進行測量，其測量誤差控制在2 cm 以內，同時確定相關點位的坐標。

2.2 數據采集

結合三維激光掃描儀的測量流程， 對礦山目標進行2 期數據掃描，其中間隔時間以9 天最佳。 為了保證信息采集數據的準確性，需要結合不同時期進行數據采集，實現對相關內容的校核，根據測站點坐標以及后視點坐標的位置信息，采集5站的數據。 一期對測量的數據進行有效采集，二期需要在一期數據的基礎上完善3 站的基礎數據采集工作。

2.3 數據處理

現代礦山測量工作的數據處理已經完全交付相關電子軟件進行處理， 本案例中采用Maptep 公司出品的數據處理軟件——點云處理軟件PointStudio， 為主要的數據分析軟件，結合數據匹配策略、噪點過濾功能、建模功能、放量計算、結算校核等相關內容。

數據匹配是將不同站點數據進行坐標匹配， 由相對坐標轉化為絕對坐標，借助三維激光掃描儀的測量模型，以內部羅盤定位以及外部控制網控制點約束設備的測量模式。 其中外部控制網控制點測量模式較為精準，定位準確，不需要大量的數據匹配，就可以完成相應的數據測量。

激光掃描儀借助噪點過濾技術， 可以將其他無關內容進行有效過濾，同時還能夠降低測量數據的影響效果，進而實現測量數據的有效性。 不同的過濾技術所產生的差異性同樣較大，特別是對應的科學算法也存在巨大的差異性。 結合現代智能化過濾模式， 對具有一定特征的過濾群體可以實現智能化過濾模式，相關礦山測量工作技術人員，需要對過濾后的影像數據與過濾前的影像數據進行對比和分析， 從而進一步確定過濾內容的有效性。

三維激光掃描儀數據對比， 是對當前測量模型的具體狀態進行分析，以三維立體模型為主要對比內容，利用計算機將地表數據以模型的形式呈現， 同時對模型進行削峰處理、填洞、三角網編輯等操作，利用凹型地表進行球面建模，結合特殊地點位置進行復雜數據的提取和分析，最終形成地表模型。在方量技術以及結構表達過程中， 對2 期的數據進行科學統計處理，尤其是借助PointStudio 點云處理軟件中的基準模式、計算模型、邊界參數等相關內容，計算出二者的挖填方量［1］。

2.4 數據對比

通過對應的計算形式結合三維激光掃描儀測量數據進行對比分析。 以某點位的測算數據對比，其中二者的測量數據見表2 所示。 根據測算數據，三維激光掃描儀的測算誤差較低，且不足3%，在允許誤差4%范圍內［2］。

3 優點及注意事項

3.1 與傳統的測量系統對比的優勢

（1）現場測量時間短，利用三維激光掃描儀，開展長距離激光測量工作，可以在方圓1 km 的露天礦區完成測量任務。 其中采集站點在5 站范圍可以輕松應對，需要注意的是，每站的測量時間約為20 min， 并且要保證所有的測量時間控制在2 h內完成，另外再包括車程以及準備時間，初步計算僅僅需要數個小時就能夠實現測量工作的有效完成。 而傳統的測量方式，需要對目標測量范圍內的所有數據進行采集。 以1＋2 的模式RTK 為例，大多需要5 個工作日才能完成測量工作，因此三維激光掃描儀極大提升測量效率， 減輕外業測量人員的工作壓力。

表2 三維激光掃描儀與傳統測量方式測算數據對比

（2）由于利用激光掃描儀進行測量時，對應的數據密度較高，同時相關數據極為龐雜。 相關人員在開展測量工作時，需要結合不同的地形條件以及相關位置信息進行精準測量。 由此可見，激光掃描進行測量時，其性能極為可靠。 而傳統的測量方式，大多根據特征點進行測量，以10 m 為1 個測量密度，點位代表性極為有限， 進而彰顯出測量工作存在一定的局限性。

（3）激光掃描儀進行測量時，其自動化程度極高，不僅可以結合天氣、濕度、溫度、大氣壓等多項數據進行綜合分析，同時還能滿足不同的定制化測量需求， 并且無需人工的操作和設定。 在露天礦山工程中，還能夠對需要重點測量的區域進行個性化密集測量。 一方面，可以保證測量數據的有效性，另一方面，可以實現測量項目不會出現漏測的問題產生。 自動化程度高，不僅有效降低了問題的產生，還大比例地提升了測量的精準性。

（4）新型三維激光掃描儀，無論是像素還是功能，都可以實現高精準的實景測量， 從而在根本上實現對測量工作的有效保障，另外借助高像素的測量功能，可以規避人工測量的失誤性和差異性， 從而保證測量工程可以切實有效地展開。 另外，借助原景還原模式，實現對測量數據的精準還原。

（5）三維立體建模。 傳統的測量方式是以二維數據進行測量工作，而三維激光掃描儀的應用，可以在三維圖像中完成對露天礦山的測繪工作，不僅立體感極為強烈，還能夠帶來強烈的直觀體驗。

（6）減少人力資源。 傳統的測量方式需要大量的人力、物力，而三維激光掃描儀測量方式，不僅降低人工成本，還能夠在技術上，實現更為精準的測繪工作，尤其是一個人的測量工作就可以完成測繪工作，從而大大降低人工成本。

3.2 注意事項

（1）三維激光掃描儀大多質量較重，因此在三腳架不夠穩定的時候，極有可能造成設備摔落，從而造成損壞。

（2）三維激光掃描儀及其附近100 m 以內，不能存在棱鏡，進而造成激光發生器的損壞。

（3）三維激光掃描儀的測量距離較遠時，其后視點設置不能低于200 m。

（4）相關工作人員在搬運三維激光掃描儀時，需要盡量避免下把手握住儀器，極有可能引發旋轉螺紋的損壞。

（5）三維激光掃描儀在測量高度時，需要注意測算基準點，其中有正負的區別。

（6）三維激光掃描儀測量控制器應該與設備的距離保持在10 m 范圍內，進而保證數據不會發生跌勢［3］。

（7）天氣對于測量工作存在一定的影響，相關數據的采集需要提高警惕。

4 結論

長距離三維激光掃描儀，其測量距離遠、測量準確性高、效果好，其相關測量數據，滿足露天礦山的基本測量需求，對今后其他礦山測量工作起到重要的參考作用。