基于礦山地質勘查的三維成像系統設計及應用

陳文婷

（西安地質礦產勘查開發院有限公司，陜西 西安 710000）

傳統的礦山地質勘查誤差較大，系統所確定的靶區與實際的礦山資源位置存在一定的偏差，并不能準確地反應出礦床的具體位置。在礦山勘查過程中，由于地質現象的不均衡性，以及隨機性，容易產生礦巖石體、斷裂和剖面的自動生成。采礦地質人員希望能夠更好地勘查礦體邊界，了解地質構造的三維形態，精準地查看地下地質體，并實現礦床三維成像可視化，進行精準估算礦床開采設計。目前，國內外對三維成像的研究，均處于中期階段。由于礦山本身就是一個三維的地理環境。

一般情況下在地質勘查中，工程師根據勘查區域的地質環境收集數據，對其分析處理等。三維成像是在二維成像為基礎上，獲取三維圖像信息。通過立體觀測方式，更好的勘查礦山地質。

1 基于礦山地質勘查的三維成像系統硬件設計

為了更精準的勘查礦山地質地形，設計三維成像硬件勘查礦山地質，實現不同地形地貌的信息精準成像。設計系統時，需要評估系統的成本和復雜性等因素的影響。在3D成像系統的設置中使用單光子檢測器方法，該3D成像系統的光接收部分通過光纖連接，并且單光子的輸出端是輸入端光子檢測器。利用礦山地質勘查的特征，針對三維成像技術進行再次設計，三維可視技術是三維成像系統硬件設計的核心和關鍵部分。采用與光纖相連接的方式，連接頭類型為PC，另一個為IAC[1]。

硬件主要應用于地形測繪、地質測量、礦山探測等。通過三維成像系統硬件設計，為礦山地質勘查軟件提供支持。

2 基于礦山地質勘查的三維成像系統軟件設計

2.1 基于礦山地質設計軟件程序

采集數據分為兩種模式，一種是廣播模式，廣播模式中，三維GIS技術自動采集數據，數據采集頻率為154Hz，并發送SET-BROADCAST-MODE數據包，自行匹配廣播模式下的采集頻率，并且系統默認接收全部的GIS數據，還可以根據系統要求，設置GIS數據活動通量的數量，實現固體礦山勘查三維數據采集。為了能夠更好的實現固體礦產勘查數據分析，對采集的數據做數據格式轉換，詳細分析數據后，將有效的數據按照一定的排列格式寫入文件中。其次，將無線傳感技術采集到的圖片數據，寫進軟件進行圖像格式處理。圖形化的語言編寫軟件是專用的轉換軟件進行轉換圖片[3]。成像技術基于光波的干涉和衍射，在三維成像中，通過在飛行時間測量中記錄單個光子計數事件與觸發信號之間的時間間隔來形成時間直方圖。下表1為三維成像軟件程序設計：

表1 三維成像軟件采集程序

利用三維成像軟件程序對采集的可視化模型進行分析，以保證客觀性，一般需要至少五次的檢查才能夠確定結果。總結演習的原則和方法，進而更好地為礦山地質勘查做準備。將三維成像軟件設計帶入精準的計算模型中[5]。

2.2 設計激光雷達三維成像計算模型

三維成像旨在更準確，更快速地獲取目標的三維空間信息，并且在目標識別和測量方面具有獨特的技術優勢。激光雷達成像還可以達到不受光照條件的優勢，以及角分辨力高、測量精度高的優勢。針對基于激光雷達的三維成像再次設計，以達到符合礦山地質勘查的系統。按照采用的光電探測器件，將面陣三維成像提高成像速度，并優化系統的探測效率。有些激光雷達系統，的焦平面陣列用于檢測。討論將一維光子檢測器與一維掃描系統結合使用的好處，據說陣列檢測設備已用于外差騎手。大學的實驗室正在進行實驗，將3D光電探測器陣列應用于外差檢測，以提高3D圖像的幀速率。計算激光回波的基礎是一般的Rider方程，通用的Rider方程為：

光子事件的發生代表著探測器得到相應的回波信號，因此，探測到噪聲光子時間的概率為：

當目標在波束往返時間內運動時，如果調整帶寬足夠高，則量程精度甚至可以達到微米級別。突出特點是能夠同時測量目標距離的相對速度。缺點是由于調諧頻率激光器的高價格，該系統的成本相對較高。

3 實驗與應用

3.1 實驗準備

采用實際礦山地區為實驗對象進行系統檢測，利用文中設計的三維成像系統，勘查礦山地質所在位置，以及地形地貌特點。運用文中的三維成像設計方法，針對該礦區六處區域礦山特點進行地質勘查。通過獲取該礦山的地質地形地貌，從中采集有效數據，下表2為該礦山采集到的數據情況：

表2 礦山區域實際勘查平均值（m）

要安裝整個3D系統，需要調整接收和發射角度，并使用相機輔助系統觀察目標場景。使用高輸出功率時，可以在距攝像機幾公里的地方看到協作目標的激光點。可以使用光點找到要掃描的對象的范圍和位置。掃描裝置安裝在水平偏轉角可調的轉盤上。垂直系統總角度的變化主要是通過改變底座的高度來調節的。

3.2 應用效果

為降低實驗測試結果的差異性，針對采集的六處區域，分別應用文中的三維成像系統，進行測試礦山地區的地質特點變化，下圖1、圖2為系統勘查后的數據反饋情況。

圖1 （CYA3201、2、3）區域地質變化

圖2 （CYA3204、5、6）區域地質變化

根據圖1、圖2所示的結果得知，測試地區的礦山地質結構特點變化，通過三維成像系統設計可以清晰的勘查出變化數據。計算勘查數據平均值，并與實際地區平均值對比。

綜合六個區域礦山勘查實驗測試得出，成像系統勘查平均數值與實際平均數值最大相差0.5，最小相差0.1，具有數值偏差小的優勢。因此，文中設計方法可應用于礦山地質勘查中。

4 結束語

此次，將針對礦山地質勘查設計的三維成像系統應用到礦山地質勘查中，對礦山地質勘查實現數據整合，能夠直觀地分析出礦山地質環境，以及其所在的具體位置，彌補了系統勘查的失誤率。經過實驗表明本文設計適用于礦山地質勘查，在很大程度上解決了礦山地質勘查的難點。