礦山測繪中三維激光掃描技術的應用

鄭祖發，杜力立

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 三維激光掃描技術的工作原理

三維激光掃描技術是利用激光進行快速掃描，來對目標進行坐標的測量，測量過程具有持續性和全面性的特點。測量目標的空間信息可以通過此技術完成快速獲取，并且目標坐標信息的獲取量較大，測量信息的精準性也可以得到保證，有利于構建出測量目標的三維立體模型，模型的精準程度也比較高。

激光測距原理和網絡信息、數字建模技術是實現對目標測量和建模工作的兩種核心技術。①激光測距與人工測距相對比來說精準度更高，使用連續激光器或者脈沖激光器將光發射出去，通過光反射原理實現精準測量，三維激光掃描誤差較小，并且可以對側面目標點位的信息進行獲取，不僅可以有效避免人工測量造成的誤差，還能夠有效解決單點測量信息量不足的問題，使用三維激光掃描技術創建出的模型與實際地形基本保持一致，分辨率也比較高[1]。②通過激光測距可以獲取到大量信息，對這些進行處理時就可以用到網絡信息技術和數字建模技術。網絡設備可以將三維激光掃描設備獲取到的信息進行傳輸，然后集中整理，并且在數字建模軟件中輸入這些信息，可以實現自動化建模，讓建模工作的效率得到大幅提升。

2 礦山測繪分析

準確率高和方便快捷是三維激光掃描技測繪技術最為主要的特點，三維激光掃描測繪技術的測量方法是架設三腳架來完成礦山各方面數據的采集工作，并且將測量得到的數據信息進行簡單高速處理，以此獲取礦山的三維數據。三維激光掃描測繪技術的有效應用能夠將礦山外部的建站時間進行較大程度的縮減，十分高效的完成礦山內部和外部的三維模型建立工作，與傳統的人力測繪技術相比較來說，具有很好的展示礦山情況的優點，有利于礦山測繪工作效率的提升。

在進行礦山開采測量工作中，必須要保證控制點的精度準確性，測量工作人員需要科學的控制礦山測量的精度，確保礦山測繪數據的準確性。平面控制網根據礦山的范圍大小和現場實際條件，選擇不同等級的GPS控制網作為首級控制網，再采用不同等級的導線點進行加密，導線測量時，盡量將GPS點作為已知點加以測量，按照閉合導線的要求測量，平差以后的成果才有更高的精度。高程控制測量根據精度需要，選擇不同的測量等級，一般情況下，采用三角高程和水準測量的方法進行高程控制測量。

礦山測量技術是屬于GPS技術的一種，具有非常高的數據測量精度，在礦山局部的數據測量過程中，能夠對礦山數據進行實時的收集與更新，既可以實現對礦山局部的測量，又能夠完成礦山整體數據的測量。對礦山測量的信息系統不斷進行完善，讓礦山維護、儲存和管理功能得到進一步提升，從而實現礦山的科學化管理。

3 礦山測繪中三維激光掃描技術的應用優勢

由于三維激光掃描技術具有高效性、便利性和高精度三個特點，在礦山測繪工作中應用此技術就有很大優勢。

3.1 高效性

利用三維激光掃描技術能夠對單點位信息實現快速獲取，僅需要幾毫秒的時間，并且對實施環境沒有太高的要求，具有較長的有效測量距離，也不需要太復雜的準備工作，幾分鐘內就可以完成測量前的準備工作，在具體的測量過程中也可以實現自動化測量，整體測量工作可以在數小時內完成，此外，在測量過程中工作人員無需近距離接觸測量目標，有利于前期的準備時間進一步縮短。

3.2 便利性

當前應用比較廣泛的三維激光掃描設備，基本都可以實現數據信息的自動化輸出，通過無線或有線網絡能夠直接完成數據傳輸工作，使得人工處理數據的工作量得到降低，大大提升了礦山測繪工作的效率。

3.3 高精度

三維激光掃描技術具有掃描距離遠的特點，并且在實際測量過程中得到的點位數據誤差非常小，一般情況下都會低于2mm，所以在開展測量工作時無需特意處理測量目標表面，也不需要驗證核對測量后所得到的數據信息，可以直接對數據信息進行利用，有效避免了人工處理數據信息可能會出現誤差的問題。

4 三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用

4.1 三維激光掃描技術的主要應用領域

三維掃描技術在礦山測繪中主要應用在以下三種領域中：①未開采或已經開采礦區的三維模型構建，可以直接利用礦區地表點位數據云對未開采礦區進行三維模型創建，過程較為簡單，相對比來說，已經開采的礦區模型建立就比較復雜，首先需對礦區進行掃描，在這個掃描的過程中需要將三維測量設備安置在礦區巷道內，進行巷道模型的構建，而此模型構建的過程與外部三維模型構建相對比來說速度較慢，效率不高，造成這種情況的主要原因是受到外部測量條件的限制較大。雖然效率較慢，但它具有較高的安全性，確保整個測量過程中不會出現安全危險。②礦區開挖體積計算，主要是在露天開采的環境中應用，對于露天礦區來說，開采位置和非開采位置之間存在較大區別，區域特性可以通過激光掃描技術來進行識別，能夠有效將需要開挖的體積進行確定[2]。此外，對分時模型進行有效利用可以進行對比觀察，能夠將礦山開采的測量時間點和已開挖體積進行進一步的確定，具有比較高的計算精度，得出的結果也可以在開采計劃、開采產量和產能等方面進行有效運用。③對于采空區的整理和防護，礦山開采會對自然環境造成較大的破壞，尤其是采空區存在更大的危險，采空區可以為作業人員的人身安全帶來嚴重威脅。傳統的測繪技術難以在采空區進行有效利用，也存在較大的人身安全風險，而三維激光掃描技術可以對這種障礙進行有效消除，實現對采空區的精準測量，并且可以把技術支持提供給采空區的實時監控工作，從而使作業過程中安全風險大大降低。

4.2 三維激光掃描技術基本應用流程

三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用分為下面三個環節：①通過三維激光掃描設備對礦山的點位信息、測量面以及地質信息等進行快速獲取。首先，利用人工觀察將礦山的大致地質環境確定下來，將掃描設備的測繪參數設定好，比如探頭、待采礦藏和實際執行范圍等，確保礦山位置信息能夠通過測繪信息反映出來。接下來進行激光掃描，對礦山待測面的三維點位信息進行獲取。②三維立體模型建立工作。通過測量工作獲取來的大量點位地質信息和三維信息，利用GPS系統完成定位，將礦山待測表面的立體圖像構建出來，由此呈現出整體的礦山三維模型，有利于開采作業的規劃和設計，還能夠幫助作業檢測和試供暖人員對礦山地質范圍和作業環境進行更加透徹的了解，從而促進礦山開發效率和安全管理水平的提升。③以獲取到的三維立體模型為依據，對礦山信息和數據系統進行更加豐富的擴建，并對三維激光掃描技術的實時優勢進行有效利用，從而將動態監測系統建立起來。另外，對礦山初始數據和實測數據進行對比，用于采空區監控、開采作業位置監控和開采量計算等工作，從而實現礦山的綜合性數字化管理目標。

4.3 礦區管理的三維立體化

4.3.1 礦區地表三維模型的建立

三維激光掃描技術可以為礦區地表三維模型的建立提供豐富的數據信息，對相關建筑設施進行掃描，獲得準確的點云信息，將三維模型建立目標實現。不同模型的屬性可以通過專門的軟件來確定，能夠將準確的信息提供給礦山管理工作，有利于管理工作的順利進行。另外，還可在建立的模型中科學運用索引目錄，方便有需要的工作人員對模型進行查看，只需電機目錄索引，就可以快速進入有關的界面，使得礦山管理的數字化程度得以提升。

4.3.2 直觀展現礦區地下巷道情況

三維激光掃描技術的應用可以收集礦區巷道內的所有數據，還能準確掃描到微小的變化。然后獲取具體的點云數據信息，通過建立三維模型來講巷道的實際情況真實的反映出來。此外，還可以實時掌握巷道內的實際工作情況，將礦區地下巷道場景進行直觀的展現。通過此項技術，能夠進行巷道內設施和設備的掃描工作，進而建立相關模型，對具體情況進行直觀的了解。還可以與通訊設備相結合，確保具體信息能夠被及時了解和掌握。以巷道模型為基礎，可以對人員的具體位置進行立體定位，掌握工作人員的實際工作進度，并在此模型中確定相關監測設備，一旦發現問題就可以自動發出報警提示，讓監測工作的可視化和立體化得以實現。

4.4 礦區Web點云的瀏覽和量算

三維激光掃描技術對礦山點云信息的獲取有很大幫助，此技術配備的照相設備可以實現對礦山紋理的有效采集，并通過專門的軟件設備來處理這些數據，最終形成Web點云，從而將礦山的實際情況展現出來。此外，對網絡技術加以利用，通過三維形式將礦山的具體情況進行直觀呈現，還可以呈現出具體的實景顏色。通過相關設備了解礦山的具體情況還具有較好的量算作用，能夠得出比較適用的結果，從而讓礦山的精準化管理擁有了數據依據。

5 結語

在當前的礦山測量工作中，地面三維激光掃描技術應用比較廣泛，傳統測量技術的改進和創新得以實現，利用此種技術在進行測量工作時可以不用接觸到測量目標，在復雜地質的測量作業中具有很大的應用空間，并且能夠保證測量數據的精準度。