基于虛擬仿真技術的礦山工程測量精度分析系統設計

涂麗霞

（江西省中旭國土勘測規劃有限責任公司，江西 南昌 330000）

虛擬仿真技術（Virtual Simulation）是最近興起的一種較為新奇的技術手段，也可以簡稱為仿真技術。Virtual：采用先進的科學技術構建出虛擬場景，Simulation：在三維空間中構建逼真的三維模型，通過在三維模型中試驗、演出和操控，完成一些現實中難以實現的技術。當然，這些都必須建立在理論真實的基礎上，就像現在比較流行的AR技術也是依據現實構建的虛擬模型，不同的是，AR技術是可以將現實的場景與虛擬的模型相折疊，真實感更強，但是價格也更加昂貴，不利于工程測量的開發成本，因此將仿真技術和虛擬技術相結合，得到的虛擬仿真技術，即擁有虛擬模型，成本也相對較低，用于礦山工程測量精度分析系統中，有助于更精準地測量誤差[1]。

1 硬件設計

1.1 遙感測量儀

礦山地形崎嶇，空間較大，用普通測量儀耗時耗力，得不償失。因此需要設計一款遙感測量儀，該遙感測量儀擁有測量范圍廣、地形圖像獲取速度快、測量時間短等特點，可以用來測量礦區的地形和地質結構。并且遙感測量儀會實現與外部環境結合的功能，從宏觀角度對礦區進行實時監測，獲取礦區大面積的沉降和地表高程信息。煙感測量儀可以利用IKOS衛星圖像，生成1:10000幅礦山地形圖，同時對地形圖進行分析，得出與實際測量一致的結論，證明遙感測量儀的使用可滿足礦山工程測量的精度要求[2]。

1.2 全站儀

現目前，應用最廣泛的礦山測量設備是經緯儀，但是經緯儀的操作較為復雜，信號不穩定，不能實時測量礦山工程，且測量精度較差，實用性較低，因此，全站儀的設計勢在必行，全站儀的設計需要同時測量礦山的高度信息和三維信息，可以完成露天礦山的精度測量和仿真測量工作。在小范圍的礦山測量上，可以用小型全站儀，方便攜帶，且效果相同，減少礦山工程測量的誤差。在大范圍的礦山測量方面，可以使用仿真全站儀，利用比例尺，還原一個小型礦山，在測量精度方面，更具有說服力。同時，由于全站儀的連續移動性，使測量方式更為準確，提高了精度。比傳統的經緯儀更具有實用價值。

2 軟件設計

2.1 采集礦山工程測量數據

礦山數據是礦山工程的主要內容，采集人員需要打開遙感測量儀，連接礦山與衛星，并打開接收器，建立衛星與接收器的通訊聯系，最終啟動測量軟件，對遙感測量儀進行設置[3]。由于礦區多山，并且測量過程中高度與方向都不同，所以在測量過程中，需要設置參考點，且利用全站儀滿足高度測量要求，最大程度地消除礦山工程測量的誤差。在此次采集數據的過程中，選取了礦山中的四個參考點，來完成遙感測量儀中的坐標變換。

2.2 繪制礦山工程測量地形圖

通過上文采集到的礦山工程測量數據后，基本可以了解礦山的大致測量地形，以參考點1（G1）、參考點2（G2）、參考點3（G3）、參考點4（G4）為主要測量區域，并根據校正后的參考點精度測量數據，得出真正的測量距離。根據遙感測量儀與全站儀的數據，可以推測在礦山外圍是巖漿巖，然后是沉積巖，其次是變質巖，最后是礦心位置，每一個巖石的距離約為20Km，所以在礦山測量過程中，越往內部測量越難，精度也較差，所以G1、G2、G3、G4的參考點在礦心外圍，具體礦山地形圖如圖1所示：

圖1 礦山測量地形圖

如圖1所示，礦心的外圍區域，有參考點1、2、3、4，還有礦山斷層，以及休息區，是礦山工程測量的主要位置。再往內部是沉積巖、變質巖以及礦心的位置，超出了20Km，在全站儀和遙感測量儀的測量范圍之外。

2.3 基于虛擬仿真技術消除測量誤差

在不超過礦山線的情況下，礦山測量的精度均在精度要求內，但是測量誤差仍然存在，但是真實條件下的誤差消除較為困難，因此虛擬仿真技術的應用勢在必行，因為虛擬仿真技術擁有浸入性，在虛擬環境中，測量技術人員可以充分利用各種適用的儀器，測量在理想狀態下的虛擬仿真礦山工程測量精度分析系統，可以測量出的信息。除此之外，虛擬仿真技術具有虛幻特征，因為虛擬仿真技術不是一個實際的實體，而是借助相關科學技術構建的環境。除此之外，測量精度誤差還來源于光學變化、位置變化、時間變化，以及空間變化，其中光學變化分為三種形式，橫向光改變、縱向光改變。測量誤差均可以利用虛擬仿真技術消除，并且以下誤差均在虛擬環境中消除，其中橫向光改變是由于遙感測量儀的遙感鏡不完善導致的，消除誤差公式如下：

式（2）中，p1、p2為遙感鏡的縱向光改變參數。位置變化的誤差可以通過以下公式消除：

式（3）中，α、β為遙感鏡變化的修正系數。減小測量誤差的修正總和以公式的形式表示為：

上述光改變參數是通過專業校正軟件得出的，結合上述公式在虛擬仿真技術的應用，消除礦山工程測量的誤差。

3 礦山工程測量精度分析

3.1 精度分析準備

礦山工程測量精度分析系統利用全站儀來采集數據，并根據虛擬仿真技術消除誤差，此外，基于地形圖轉換礦山的直角坐標（X，Y，Z），具體轉換公式為：

式中，Δ代表（X，Y，Z）各坐標上的轉換量，k是精度參數，R是轉換參數。當精度參數達到預期值后，經計算的結果用于礦山工程精度分析中，保證礦山工程測量的精度。

3.2 精度分析結果

在保證礦山工程的測量精度的前提條件下，本文選擇了礦山周圍的六個測量點進行驗證，以礦山為圓心，半徑不超過20km為基準，同時保證六個測量點的平均長度為2.6km，分三個時間段測量，得到的測量精度如表1所示：

表1 個測量點的誤差統計情況

如表1示，01-06個測量點距離礦山由近及遠，測量點距離礦山越近，測量誤差越小，反之就越大，而邊緣點均超過20km的標準，所以誤差較大，且不穩定，所以只要礦山工程測量在20km以內，就符合測量要求，具有較高的使用價值。

4 結語

隨著虛擬仿真技術的發展，仿真資源的不斷豐富，如何充分利用虛擬仿真技術成為研究主題。本文通過設計基于虛擬仿真技術的礦山精度測量系統，設計了遙感測量儀和全站儀等硬件，并對軟件同時設計，以采集數據為主，繪制地形圖為輔，為消除測量誤差作鋪墊，并對該系統作出精度分析實驗，得出本文設計的系統在測量誤差方面符合要求的結論。為礦山工程精度測量提供一個研究方向。