三維激光掃描儀在露天礦山測量中的運用研究

蘭舜涯

（云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

露天礦山地質環境的特殊性，決定其生產過程比較復雜，一定程度上增加其測量工作的難度。科學技術飛速發展，使我國出現更多更先進的礦山測量設備和方法，與此同時，也極大提高礦山測量工作整體水平。為保障采挖安全性，需要及時測量露天礦山采挖和采挖后土石填補過程。但是由于常規儀器受到精度和效率限制，無法滿足礦山測繪工作需求，因此有必要引入先進的三維激光掃描儀，它不僅可以彌補傳統儀器缺點，實現將實地環境信息轉變成易于處理數據的目標，使信息更加直觀，便于使用，還擁有較強擴展性，在空間形態上也可以保持高度準確性，還可以將采區三維數字模型生產出來，因此，它被廣泛應用于礦山測量工作中。

1 測量露天礦山的主要任務

礦山儲量地質測量是測量露天礦山的主要任務。礦山儲量測量主要是在占用礦山儲量登記的礦產報告或儲量核算報告和上年度礦山儲量年報基礎上，通過對礦山采樣測試、礦山測量、礦山地質編錄等技術方式的應用，再整理出礦山地質資料，將礦山本年度開采量、損失量、資源儲量減量數據估算出來，對礦山儲量年度報告進行編制，然后結算本年度保有資源儲量。礦體測算精度問題和歷年有關儲量數據一致性、連續性問題是礦山儲量核心工作[1]。

對露天礦山地質測量內容主要包括：礦區基礎控制網和礦山基礎技術檔案的建立；以規范要求為依據，對開采區域進行地質測量，從而將開采區域內礦體體積計算出來；檢驗地質測量成果；計算儲量，制作礦圖件；對年報進行編制等。

2 三維激光掃描儀工作原理

電源供應系統、控制器和掃描儀等構成三維激光掃描儀，在CCD集成儀器內部控制系統條件下，使激光測距與掃描功能充分發揮出來。在某種意義上，三維激光掃描儀操作原理類似于全站儀測量原理，例如利用激光對間隔距離和水平方向距離進行測量，經過計算得出的三維坐標具有精準性。在三維激光掃描儀中，運用激光測距儀，再加上激光引導，固定住具有一定轉速的發射棱鏡，借助激光測距儀將激光發射出去，這樣反射就在被測物體表面產生了，計算觀測點和測站點距離后，與水平方向和豎直方向測量數據相結合，再進行計算，最后將三維空間坐標得出來，而且具有高度精確性[2]。

3 三維激光掃描儀應用于露天礦山測量中的意義

由于三維激光掃描儀具有效率高、精度高、直觀等優勢，因此，它被露天礦山測量廣泛應用。可以將人力和物力節省下來，使開采效率全面提高，有利于礦山企業持續、穩定發展。與此同時，三維激光掃描儀能夠有效彌補傳統掃描方法的缺點，在GPS技術之后，是又一項具有革新意義的技術，在被測物體上建立云點模型后，能將相關數據獲取出來，利于全面了解和掌握被測區域情況，對于現代化礦山企業發展具有深遠意義[3]。

4 三維激光掃描儀優勢分析

眾所周知，三維激光掃描儀獲取物體表面采樣點的三維坐標，能夠直接被CAD/3DMINE等軟件所使用，究其原因主要是三維激光掃描儀采集相關數據的方式是非接觸式。這種獲取數據方式具有特殊性，可以解決傳統測繪點測量不足問題。此外三維激光掃描儀的優點還有以下方面：第一，非接觸性，就是說利用該項技術對物體表面獲取三維坐標信息時，可以不用接觸物體表面，這樣就可以將測量危險區域柔性目標的技術難題解決掉，而且采集到的數據具有真實性和可靠性；第二，獲取數據的速度非常快，通過對三維激光掃描儀充分利用，可以實現每秒鐘對十萬采集點進行掃描目標，因此在獲取大面積目標空間信息中，這種技術被廣泛應用；第三，具有實時性、主動性和動態性。三維激光掃描儀作為一種先進的測量技術，不需要外部光源支持就可以進行測量，在發射激光回波信號的基礎上可以實現對目標信息測量，這樣就可以突破時間與空間的約束，因此該項技術在自動化監控中也得到良好應用。第四，使工作人員減少，將人工成本節省下來。傳統的全站儀在測量過程中，通常需要很多工作人員，從技術角度出發，應用傳統方式需要2-3個測量人員，但是三維激光掃描儀的工作人員是1-2人就可以將作業完成，極大節省人工成本[4]。

除了以上優勢以外，三維激光掃描儀還具有高密度、高精度、穿透性和數字化特點。其中，穿透性是由于三維激光掃描儀自身具有較小采樣間距，但是采樣密度卻極高，因此，對于不太濃密的植被而言，依然可以依靠部分激光到達目標表面，這樣就可以將不同層面的幾何信息獲取出來。點陣和格網數據等采集方式具有高密度和高精度，一方面能夠使采樣點分布保持均勻性，另一方面因為其聚焦功能具有全自動性、自適應性，因此可以使點云數據的精度具有均勻性。數字化和自動化特征就是說該技術的自動化和數字化程度很高，極大方便了后續進行處理數據、轉化格式和輸出數據。該項技術還能夠結合外置數碼相機，這一功能可以有效擴展三維激光掃描儀適用范圍，而且使獲取到的地面信息具有高度準確性和完整性。借助外置數碼相機，可以在對物體表面采集信息的同時將相應彩色信息獲取到，因此，一方面將三維激光掃描儀技術應用范圍擴展了，另一方面也促進數據測量準確性的提高[5]。

5 三維激光掃描儀在露天礦山測量中的運用研究

三維激光掃描儀是一種最先進的測繪技術，并且具有明顯優勢，將其應用于露天礦山測量中具有重要意義，因此，本文接下來進一步研究三維激光掃描儀在露天礦山中運用。

5.1 建立地面控制網

運用GPS結合三維激光掃描方式，可以建立地面控制網，在GPS靜態觀測下可以將礦區三等控制網完成，再借助三維激光掃描儀，對碎步進行高精度測量，將建立地面控制網工作完成。對于國家有關礦區測量的限差規定要求，三維激光掃描儀都可以很好滿足。

5.2 建立礦山模型

利用三維測量掃描儀在測量碎步工作中，可以將碎步點坐標獲取到，與此同時，還能夠對礦山進行激光掃描，將礦山點云數據獲取出來，借助數據后期處理技術，能夠將DEM數據、數字點云模型獲取出來，記錄下礦山直觀地形數據，有利于為以后做出安全生產決策提供數據支持和保障[6]。

5.3 獲取數字線劃圖

在礦山開采模型的幫助下，1m分辨率的數字模型就可以實現高精度等高線劃圖的生成，數字線劃圖在拼接建模的條件下由高精度、高密度點云模型生成，可以將具體比例的地形線劃圖提供給礦山，這樣就可以將礦山基礎測量數據獲取出來。

對于礦山基礎設施而言，包括倉庫、井架、扇風機機道、消防設施等，三維激光掃描儀都可以通過一次性掃描多個社會空間位置獲取到空間數據，并且數據具有直觀、形象特點，有利于模型的建立，經過矢量化后，以地形要素形式增加到礦山地形圖中；三維激光掃描儀能夠快速測量露天礦山，而且其等高線畫圖具有高分辨率，高數據質量[7]。

5.4 監測礦區、礦井設施沉降

對于礦山井下工程設施的沉降監測而言，它的主要目標是衡量礦井安全性，這是測量礦山最重要的環節。更為重要的是監測井口設施沉降，因為它直接影響到井筒和井下人員生命健康安全，運用三維激光掃描儀，能夠獲取到整體、精確的井口設施空間數據，在長期積累數據的條件下，可以及時將沉降變化發現。通過對該項技術的充分利用，可以完成對井口相對水準測量，而且可以測量到信息豐富的點位，獲取數據更加全面，從而使模型更加直觀形象[8]。

5.5 測量沉陷區

對地下礦山進行開采，不可避免造成地面沉陷，運用三維激光掃描儀獲取到數據后，可以對沉陷區進行建模，通過點云模型，不僅將沉降區面積大小計算出來，還可以了解沉陷情況，對還耕技術進行評估。

5.6 測量巷道

借助三維激光掃描儀，可以實現井下掃描作業目標，促進整個井下巷道模型的建立，有利于對井下進行開采管理、對巷道進行變形監測、對井下進行定向控制監測、對主巷道進行測量與定向，給定腰線、掘進時中，貫通井下巷道、測量井下場地開拓超欠挖；計算礦量等。

5.7 測量橫斷面

三維激光掃描儀，不僅可以實現測量井下礦山的目標，還可以運用點云模型，對后生成的橫斷面線劃圖進行處理，以此為重要數據，將其提供給煤礦安全生產部門，這樣就有利于對巷道進行變形監測，對應力進行分析。

6 測量露天礦山注意事項

在應用三維激光掃描儀對露天礦山進行測量時需要注意以下事項：第一，由于三維激光掃描儀的重量大，在三腳架不穩定時，無法保障設備的安全性；第二，為避免損壞設備激光發射器，棱鏡不能出現在三維激光掃描儀儀器100m以內；第三，由于三維激光掃描儀具有較遠測量距離，因此，對于其后視點的設置需要大于等于200m；第四，為避免損壞旋轉螺紋，在搬運三維激光掃描儀過程中，不能將其上下把手同時握住；第五，為避免丟失數據，三維激光掃描儀的測量控制器距離設備距離不能是10m；第六，在對儀器高進行測量時，注意正負起算點。第七，根據天氣情況，對參數進行設置，因為導致數據質量差的原因之一也包括天氣設置錯誤[9]。

7 結語

總而言之，三維激光掃描儀應用于露天礦山測量工作中具有重要意義，它有效避免人為篡改數據情況，能夠得到更加客觀真實的儲量數據。管理人員通過對可視化數據分析模型的充分利用，可以全面了解和掌握礦山狀態與開采過程，并且對礦山儲量實施動態監管。此外，三維激光掃描技術比傳統露天礦山測量技術更為先進，它可以將更加準確、安全、可靠的信息提供出來，是我國當前階段最為經濟、有效的技術手段，為有效安全開展礦山作業，應將其大力推廣并廣泛應用于礦山測量中。未來發展趨勢是3D激光掃描技術將會被更廣泛應用于礦山測量工作中，對于工作人員而言，需要不斷積累工作經驗的同時積極創新，促進礦山測量質量和效率大幅度提升。