三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用研究

朱冰

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)桃沖礦業(yè)有限公司，安徽馬鞍山 241233）

0 引言

礦山是我國國土資源的重要組成部分。礦山的開采與我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有著密切的關(guān)系。隨著近年來我國測量技術(shù)的飛速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為輔助礦山測量的重要技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用推動了礦山地面測量、井下測量等工作的有效落實(shí)，是推動礦山開采產(chǎn)業(yè)升級、轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)。本文主要探究了三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用，具體內(nèi)容如下。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)是一種由掃描儀發(fā)射激光束，利用激光束對待測對象進(jìn)行掃描、處理，并與其他設(shè)備相配合，根據(jù)時(shí)間差，測量掃描設(shè)備與待測設(shè)備之間距離等數(shù)據(jù)的技術(shù)[1]。三維激光掃描技術(shù)有著持續(xù)性強(qiáng)、全面性廣兩大特點(diǎn)，其能夠幫助測量人員獲取待測目標(biāo)的空間信息數(shù)據(jù)，幫助測量人員構(gòu)建被測目標(biāo)的三維虛擬模型。

三維激光掃描儀通過分析發(fā)出激光信號到接收到來自被測目標(biāo)表面的時(shí)間差，可以計(jì)算出自身與待測目標(biāo)的直線距離S。再利用儀器內(nèi)部的測量計(jì)算系統(tǒng)，獲取激光的橫向掃描角度、縱向掃描角度的觀測值α、φ[2]。三維激光掃描儀在工作過程中，會根據(jù)收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動生成局部坐標(biāo)系。這個局部坐標(biāo)系以激光掃描儀的所處位置為原點(diǎn)，將掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)的水平面設(shè)定為X、Y軸，將垂直方向設(shè)置為Z軸[3]。下見圖1，這樣便能夠根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的相對坐標(biāo)值。計(jì)算公式如下。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，具體如下。

（1）數(shù)據(jù)采樣率高。常規(guī)的脈沖掃描儀測量速度已經(jīng)能夠達(dá)到5萬點(diǎn)/s，相位式掃描儀甚至能達(dá)到120萬點(diǎn)/s，這也反應(yīng)了三維激光掃描技術(shù)強(qiáng)大的物體空間信息全方位采集能力[4]。

（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。大多數(shù)測繪技術(shù)都需要利用無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，這種方式很容易受到環(huán)境因素的影響。二三維激光掃描技術(shù)可以有效的避免信號丟失等問題。

（3）立體性強(qiáng)。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)只能獲取平面二維的測繪數(shù)據(jù)，需要多種地面測繪方式結(jié)合才能獲取立體三維的測繪數(shù)據(jù)。而三維激光掃描技術(shù)可以直接獲取待測物體的三維測繪數(shù)據(jù)，立體性極強(qiáng)。

隨著近年來三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積掃描、分辨率提升、快速掃描等功能。利用激光對被測目標(biāo)的表面進(jìn)行掃射，能夠在沒有反射棱鏡的情況下，獲取較高精度的測量結(jié)果。測量人員也能夠根據(jù)測量結(jié)果，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再現(xiàn)被測目標(biāo)的三維模型。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山測量中，能夠有效提升礦山測量的精度與效率，是保障安全開采的重要技術(shù)。

2 礦山測量中存在的問題

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國工業(yè)生產(chǎn)對于礦產(chǎn)資源的需求量也變得越來越高，而礦產(chǎn)資源的總量卻在不斷減少。礦山開采由地面區(qū)域和地下區(qū)域兩部分組成，地面區(qū)域包括廢石場、礦石、簡易公路、建筑物等設(shè)施；而地下區(qū)域經(jīng)過長期的開采，存在著許多采空區(qū)。采空區(qū)非常容易出現(xiàn)塌陷，導(dǎo)致地表受到影響，引發(fā)地表開裂、塌陷等問題，對我國的地表生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。塌陷還會導(dǎo)致礦山地下區(qū)域的空氣氣壓被壓縮，引發(fā)沖擊波，對井下設(shè)備設(shè)施造成嚴(yán)重的影響，對井下工作人員產(chǎn)生很大的威脅。在降雨量較高的礦區(qū)，采空區(qū)內(nèi)還有可能出現(xiàn)積水現(xiàn)象，進(jìn)一步加大了采區(qū)塌陷事故的發(fā)生概率，對礦區(qū)環(huán)境造成更加嚴(yán)重的破壞?？傮w而言，隨著礦山開采時(shí)間的延長，礦山安全生產(chǎn)存在的問題也將變得越來越多。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

3.1 三維激光掃描技術(shù)在礦山地下區(qū)域的應(yīng)用

3.1.1 三維激光掃描技術(shù)在礦山地下區(qū)域的具體應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用于礦山地下區(qū)域時(shí)，更多地被應(yīng)用于地下采空區(qū)的測量中。經(jīng)過長期的開采，礦山的地下區(qū)域出現(xiàn)了許多復(fù)雜的空間，這些空間具有形狀不規(guī)則性和不穩(wěn)定性，會對井下作業(yè)人員的生命與財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。因此，需要采用三維激光掃描等先進(jìn)的技術(shù)對地下采空區(qū)進(jìn)行測量，了解地下采空區(qū)的實(shí)際情況，為后續(xù)礦區(qū)的開采提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）三維激光掃描數(shù)據(jù)采集、反饋、智能控制技術(shù)的應(yīng)用。在井下應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，大多會采用井下無人機(jī)掛載的方式進(jìn)行應(yīng)用。因?yàn)榫聸]有GPS信號，因此要想操作井下無人機(jī)進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)的采集，只能利用IMU系統(tǒng)進(jìn)行控制。IMU系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛行速度、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)的有效控制，使井下無人機(jī)能夠保持高精度慣性飛行狀態(tài)[5]。

（2）三維激光掃描自主避障技術(shù)的應(yīng)用。在礦山的地下區(qū)域，受到種種因素的限制，傳統(tǒng)測量難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，無法滿足生產(chǎn)的需求。因此井下無人機(jī)的應(yīng)用是必不可少的，當(dāng)井下無人機(jī)運(yùn)作時(shí)，可以利用三維激光掃描儀的激光測距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主避障。這種避障方式有著精度高、速度快等特點(diǎn)。在形狀簡單、規(guī)則的區(qū)域有著較好的應(yīng)用效果。但是在形狀無規(guī)則、突發(fā)障礙多的區(qū)域中應(yīng)用效果較差。因此，在井下無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，還需根據(jù)井下采空區(qū)的實(shí)際情況，由無人機(jī)操作者手動完成復(fù)雜區(qū)域的測量工作。

（3）三維激光掃描數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用。在礦山地下區(qū)域，無人機(jī)無法接收到GPS信號，三維激光掃描儀無法對信息進(jìn)行驗(yàn)證，存在著數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問題。因此，為了確保礦山地下區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的有效性，確保三維激光掃描儀在井下采空區(qū)等復(fù)雜環(huán)境內(nèi)能夠長時(shí)間運(yùn)作，必須重視三維激光掃描數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用，及時(shí)更新相應(yīng)技術(shù)。

3.1.2 三維激光掃描技術(shù)在礦山地下區(qū)域的應(yīng)用流程

（1）對礦山地下區(qū)域布設(shè)控制網(wǎng)。在應(yīng)用三維激光掃描儀時(shí)，要以掃描儀為中心，建立獨(dú)立坐標(biāo)系。再在地下礦區(qū)引入坐標(biāo)控制點(diǎn)，以坐標(biāo)控制點(diǎn)的形式將待測采空區(qū)引入，之后的每一站掃描都可以在真實(shí)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量（借助公共標(biāo)靶），從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。因此，在布設(shè)地下礦區(qū)控制網(wǎng)時(shí)，要利用全站儀的廣電測距導(dǎo)線功能，在待測采空區(qū)內(nèi)合理布設(shè)控制點(diǎn)。

（2）開展三維激光掃描處理。利用三維激光掃描設(shè)備，對地下待測采空區(qū)進(jìn)行分站掃描。在每一站布設(shè)3個標(biāo)靶，在開展掃描工作的同時(shí)，對每一站的3標(biāo)靶進(jìn)行掃描與測量，與標(biāo)靶的幾何中心進(jìn)行擬合[6]。利用3個標(biāo)靶的數(shù)據(jù)獨(dú)立性坐標(biāo)系統(tǒng)，構(gòu)建相對性空間關(guān)系；利用全站儀測量標(biāo)靶的幾何中心坐標(biāo)，使3個標(biāo)靶所在位置的坐標(biāo)系統(tǒng)也具備相對性空間關(guān)系。在后續(xù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，能夠?qū)?標(biāo)靶的幾何中心作為公共點(diǎn)，輔助點(diǎn)云拼接。這種掃描方式既可以建立各個站點(diǎn)的獨(dú)立性坐標(biāo)系統(tǒng)，也可以構(gòu)建能夠進(jìn)行憑借的地方性坐標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)換。圖2為采空區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，AA、BB、CC為標(biāo)靶的幾何中心。

圖2 采空區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。地下礦區(qū)三維激光掃描技術(shù)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、數(shù)據(jù)抽稀、數(shù)據(jù)虛擬測量、構(gòu)建三維化實(shí)體模型、斷面數(shù)據(jù)提取等內(nèi)容。首先利用Cyclone軟件分析掃描儀數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，根據(jù)步驟（2）中的標(biāo)靶坐標(biāo)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，誤差控制在2mm以內(nèi)。因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量很大，因此要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，抽稀的方法可以選擇Maplex、Sub Points、Subset等方式，在保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理速度。最后利用Cyclone、3Dmine等軟件生成三維化實(shí)體模型即可。

3.2 三維激光掃描技術(shù)在礦山地上區(qū)域的具體應(yīng)用

礦山邊坡地形監(jiān)測是三維激光掃描技術(shù)在礦山地上區(qū)域的應(yīng)用途徑之一。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用流程與地下礦區(qū)的應(yīng)用流程大致相同。

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在礦山邊坡的上、中、下等位置建設(shè)分站，再在每一個分站進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描。要注意的是，在獲取數(shù)據(jù)信息時(shí)，不能直接用三維激光獲取數(shù)據(jù)信息，要提前做好數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，清除掉其中有誤差的數(shù)據(jù)，為后續(xù)DEM模型的可靠性與準(zhǔn)確性提供保障。

（2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山邊坡變形監(jiān)測時(shí)，其最終目的是為了生成坡體DEM模型。首先，要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。利用標(biāo)志點(diǎn)匹配法轉(zhuǎn)換點(diǎn)云坐標(biāo)為大地坐標(biāo)系。然后對點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)匹配。將基準(zhǔn)設(shè)為坡體第一幅點(diǎn)云，使其能夠與第二幅點(diǎn)云的標(biāo)志點(diǎn)相匹配。在將處理后的數(shù)據(jù)利用區(qū)域數(shù)據(jù)匹配法引入到數(shù)據(jù)層內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況修改數(shù)據(jù)層，確保數(shù)據(jù)層的最優(yōu)狀態(tài)。然后再根據(jù)各個分站的位置，設(shè)置點(diǎn)云坐標(biāo)。在進(jìn)行點(diǎn)云的絕對定位與拼接。為保障在同一坐標(biāo)系中，呈現(xiàn)各個分站的點(diǎn)云坐標(biāo)，要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。ICP算法、標(biāo)定物拼接是兩種常見的點(diǎn)云拼接方法。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的拼接方法進(jìn)行拼接。最后，再利用Cyclone等軟件生成坡體的DEM模型。根據(jù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向，導(dǎo)出IMP等格式[7]。對礦山邊坡的變形情況進(jìn)行檢測，分析礦山邊坡的變化程度。

4 結(jié)語

綜上所述，本文首先闡述了三維激光掃描技術(shù)的內(nèi)容與原理，其次分析了現(xiàn)階段礦山開采存在的問題，在此基礎(chǔ)上探究了三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的具體應(yīng)用。在地下礦區(qū)的測量中，本文以地下采空區(qū)測量為例，對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了討論；在地上礦區(qū)的測量中，本文以礦山邊坡變形監(jiān)測為例，對三維技術(shù)掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了討論?？偟膩碚f，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在礦山測量的不同領(lǐng)域時(shí)，其大致的應(yīng)用流程是相同的。工作人員在實(shí)際開展礦山測量工作時(shí)，應(yīng)該根據(jù)測量工作的具體內(nèi)容，對三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與調(diào)整。與實(shí)際相結(jié)合，合理的應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，才能夠推動礦山測量質(zhì)量與效率的提升，推動我國礦山開采行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。