基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統

郭 志

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

礦山開采作業日益增多導致礦產資源日漸匱乏，在礦山地質測繪工程中，由于測繪地點和環境的不同復雜程度，測繪設備與方法也會根據實際情況進行調整，使測繪精度受到影響，產生一定的偏差，引起礦產資源規劃的不協調，導致資源浪費[1]。為了提高地質測繪工程的測繪質量，地質測繪人員利用三維激光掃描技術對地質環境等因素建立三維立體坐標系，直觀地展現礦山信息，以此獲得測繪的原始數據，能夠提高測繪的速度，是保證礦山開采安全和生產效益的有效方式[2]。礦山地質測繪系統為礦山的施工作業提供數據和信息來源，是地質測繪管理的關鍵組成部分。地質測繪系統實現了由人工操作到計算機自動化操作的轉化，使測繪數據的計算、存儲、查詢都更加清晰準確，為資源規劃與分析提供科學的參考[3]。將三維激光掃描技術與礦山地質測繪精度評估系統相結合，使測繪誤差得到有效控制，滿足礦山地質測繪的精度要求，保證礦山地質測繪工作的安全高效和節能環保是本次研究的重要目標。

1 基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統硬件設計

1.1 選取三維激光掃描設備

三維激光掃描技術測繪礦山地質主要應用的設備為三維激光掃描儀，三維激光掃描設備具有不同種類，根據本文的礦山地質測繪需求選取地面類掃描設備，選取的三維激光掃描儀型號為ILRIS—3DER，其設備特點是可視化能力強，掃描距離廣，適用于礦山地質測繪工作。設備性能參數中，掃描距離為1000m～1500m，掃描速度為3000/秒。

1.2 設計傳感器電路

基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統在整體上的設計需要針對礦山測繪精度評估工作的特點來進行。使硬件滿足礦山地質測繪精度評估工作高可靠性、高實用性的標準。本文采用對數減波放大技術設計一種超聲波傳感器電路，使其滿足傳感器電路的靈敏度和電池續航持久的需求。傳感器超聲波的接收探頭在局部檢測中的靈敏度效果不好，因此選取高增益的前置放大器能夠避免在傳播過程中會出現反射、衰減現象，除此之外，低噪聲前置放大器還可以避免信號處理過程中受到噪聲干擾基于傳感器內部結構和工作原理，設計電路如圖1所示。

圖1 傳感器電路設計圖

由圖1可知，將無極性電容耦合輸入到傳感器的兩個INPUT端，并與接地電阻組成濾波器，在每個電源處連接一個貼片封裝電容。控制信號處理對傳感器信噪比的影響，防止噪聲耦合進入前置放大器，選用可以靈活調節阻值的精確電位器。

2 基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統軟件設計

2.1 建立三維數據庫

基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統的三維數據庫主要負責數據管理與存儲，為后續測繪精度評估做好準備。礦山地質測繪精度評估數據庫主要包括地質測繪信息、地質剖面圖、地形地貌數據等，本文的三維信息數據庫是在對礦山地質勘測數據的整理和分析基礎上建立的，在數據庫生成過程中，利用相同坐標轉換為初始化格式，在進行圖像編輯前需要明確測繪的礦山地質體與地質體檢的聯系以及約束條件，編輯局部視圖，將多個局部視圖進行整合，直觀地顯示實際環境，最后導出數據。三維數據庫建立使地質數據更加直觀清晰，便于測繪人員掌握礦山地質信息，在施工中一定程度地對測繪人員的施工安全提供了保障。

2.2 構建礦山地質三維立體模型

建立礦山地質三維模型能夠便于測繪人員對礦山地質構造情況，礦山種類等信息進行實時獲取，利用計算機和圖像圖形繪制技術建模，通過可視化和三維數據化的處理展現在顯示屏前方。在三維立體模型的構建中，首先需要確定礦山的坐標定位，在進行坐標處理轉換定位時應注意不要影響數據精度。通過參數化幾何形態、拓撲信息等來繪制地質礦體，提取地質特征，主要包括等值線、邊界線等。利用不同的提取方法提取規則與不規則兩種情況的做數據場等值線，邊界線是三維模型中的重要部分，包括脊線和輪廓線，其中輪廓線可以通過形狀、紋理、顏色的特征的變化來檢測。對于封閉邊界的提取需要根據不同的實際情況選擇自動生成的方法。

2.3 處理評估三維點云數據精度

在礦山地質測繪中，測繪出的數據是否精確是測繪人員最為關注的問題，礦山測繪精度評估系統的精度評估包括單點精度評估、內符合精度評估以及外延伸精度評估，在精度評估前需要進行對三維點云數據的處理。點云數據是三維激光掃描的主要數據，在空間上呈離散性分布。單點定位測試需要對已知的靜態等級點進行定位精度分析，采取三維掃描技術對礦山進行的坐標測量作為內符合精度的參考值，利用定位接收機接收定位來進行精度評估。為了解礦山地質各測繪點的外延伸狀況，對礦山各方向外延伸精度數據進行處理，判斷數據誤差是否符合精度要求。

3 實驗論證分析

為驗證基于三維激光掃描技術的礦山地質測繪精度評估系統的有效性，通過實驗論證分析，將傳統測繪系統與本文設計的測繪精度評估系統進行對照，對比不同系統的測繪數據精度，具體精確度計算公式如下：

式中X為精密度，A為單次測繪數值，B為這一系列數據的平均值，前后共進行5次測試，得到對比結果如表1所示。

表1 實驗精度對比表

由表1可知，表中的多次測試結果可以看出，本文設計的精度評估系統的測繪平均精度為91.20%，傳統方法的測繪平均精度為80.54%，本文系統比傳統系統的平均測繪精度高了10.67%，因此本文設計的精度評估系統比傳統礦山測繪管理系統在數據精確度方面具有明顯優勢，且數據結果較為穩定，數據的精確度在礦山礦產資源利用和生產中起著重要的作用，本文設計的系統在測繪精度方面具有良好的效果，具有可靠性。

4 結語

近年來，隨著科學技術在各領域中的應用越來越廣泛，測繪人員在礦山地質測繪中進行了多種嘗試，在測繪工作中結合了諸多信息化科學技術，將三維激光掃描技術與礦山地質測繪精度系統的適度結合能夠提高礦山測繪的精度，保證了礦山地質測繪的質量和效率，減少人工作業的工作量，實現了測繪工程的技術升級，為我國地質測繪工作提供了參考。

但仍有諸多問題有待于在日后的研究中改進，如對于測繪數據的控制還可以更加優化，可以考慮對原始數據處理的智能化研究，從而使測繪數據更加有效，在實際礦山測繪中應考慮實際的礦山類型和不同的測繪需求，編制不同的測繪圖件。