激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中的應(yīng)用探討

范玲玲

（安徽理工大學(xué) 理學(xué)院， 安徽 淮南232001）

激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中的應(yīng)用探討

范玲玲

（安徽理工大學(xué) 理學(xué)院， 安徽 淮南232001）

在現(xiàn)代社會中，激光掃描是一門新興的技術(shù)，它的主要功能是進(jìn)行測繪和測量，三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生使得激光掃描技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了重大突破.三維激光的掃描技術(shù)能夠把現(xiàn)實中的各種場景復(fù)制成三維的場景，而且還能在很短的時間里高效、精確地展現(xiàn)建筑物三維空間的具體情況和位置，其應(yīng)用范圍非常廣泛.本文介紹了三維激光技術(shù)的特點，并著重探討了三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中應(yīng)用的技術(shù)依據(jù)和發(fā)展前景.

激光；三維掃描；數(shù)字化礦山

1 前言

近些年來，隨著現(xiàn)代信息科學(xué)的快速發(fā)展，人們不斷地提出了一些新概念，比如數(shù)字化礦山、數(shù)字化城市、數(shù)字化地球等.數(shù)字化礦山是指數(shù)字化的再現(xiàn)與發(fā)展礦山周圍表面和地下的一些重要信息，數(shù)字化的存儲和加工礦山中大量的空間信息和數(shù)據(jù).因此可以說，數(shù)字化礦山能夠出現(xiàn)和發(fā)展的基礎(chǔ)就是這些礦山的空間三維信息.GPS、全站儀等傳統(tǒng)的測量設(shè)備只能采集一些簡單的三維數(shù)據(jù)和信息，以前人們僅利用這些簡單的數(shù)據(jù)和信息去了解礦山的情況，從而使許多真實有用的信息被遺漏.數(shù)字化礦山在不斷地發(fā)展，需求也在不斷擴(kuò)大，那些獲取礦山三維信息和數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法會阻礙數(shù)字化礦山的發(fā)展.而三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的技術(shù)，能夠使礦山的實際情況在我們的電腦上精準(zhǔn)呈現(xiàn)，然后再把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能被我們識別的數(shù)字化信息.三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了數(shù)字化礦山的快速發(fā)展[1].

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)利用激光可以測定距離的原理，其在掃描實物時具有完整、精度高等特點，能夠高效、快速地獲取大量的空間三維數(shù)據(jù)和信息.點云數(shù)據(jù)就是指三維激光掃描技術(shù)在三維空間里獲取的信息和數(shù)據(jù)，其中包含著非常豐富的信息和數(shù)據(jù)量，點云數(shù)據(jù)中所有的三維數(shù)據(jù)都能夠被直接地采集.三維激光掃描技術(shù)不需要做任何實物的處理，所以，礦山中那些后期需要處理的數(shù)據(jù)和信息都具有可靠性和真實性.

三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于土木工程建設(shè)，文物古跡保護(hù)和規(guī)劃，室內(nèi)設(shè)計，工廠改造，建筑監(jiān)測，船舶設(shè)計，交通事故的處理等方面.三維激光掃描技術(shù)能夠供大量的、精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)和信息，這些促進(jìn)了數(shù)字化礦山的不斷發(fā)展.三維激光的掃描系統(tǒng)把控制電路板、激光發(fā)射器、數(shù)碼相機(jī)、濾光鏡融為一體成為一種新系統(tǒng)，在很短的時間里，它就可以獲取到大量的空間信息和數(shù)據(jù).在三維激光掃描技術(shù)中，在水平方向旋轉(zhuǎn)的是掃描儀的機(jī)身，在豎直方向上運轉(zhuǎn)的是掃描儀的濾光鏡，與此同時，發(fā)射器利用向外發(fā)射的激光，從上到下、從左到右對被測量的對象進(jìn)行掃描，它會把三維激光掃描出來的數(shù)據(jù)和信息存入設(shè)備的硬盤中，通過點云后的處理，這些點云數(shù)據(jù)就會呈現(xiàn)在我們的電腦上[2].

3 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點和不足

3.1 數(shù)據(jù)的采樣率高

一些傳統(tǒng)的測繪和測量儀器，如全站儀、經(jīng)緯儀、GPS等，是很難采集高分辨率、高密度的數(shù)據(jù)和信息的.三維激光掃描儀的三維掃描激光在幾秒內(nèi)就可以采集到上千個數(shù)據(jù)，在一定程度上突破了傳統(tǒng)測繪儀器的單點模式，還可以獲得更多物體的三維空間信息和數(shù)據(jù).

3.2 采用非接觸測量方式

非接觸測量方式是指三維激光不需要通過反射棱鏡，就能直接獲取物體表面三維數(shù)據(jù)和信息的一種方式.這種不經(jīng)過接觸就可以對目標(biāo)進(jìn)行掃描的測量方法能夠準(zhǔn)確獲取三維環(huán)境數(shù)據(jù)，完成危險目標(biāo)，這些都是傳統(tǒng)的測量儀器所無法完成的.

3.3 受外界影響比較小

傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)在夜晚無法進(jìn)行作業(yè)操作，而三維激光測量技術(shù)能夠獲得廣大的測量領(lǐng)域和測量時間，這種技術(shù)在任何時間都可進(jìn)行作業(yè)操作.此外，傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)受溫度的影響較大，這會使工作不能連續(xù)正常地進(jìn)行.而三維激光掃描測量技術(shù)受溫度的影響較小，可以保證工作的順利完成.

3.4 受到的約束較低

傳統(tǒng)攝影技術(shù)在測量時，必須在合適的角度和位置才能夠進(jìn)行測量，并且需要把一些對照片有較大影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后才能生成立體的模型.而三維激光掃描技術(shù)則操作方便靈活，它在完成對點云數(shù)據(jù)的拼接以后，可直接建立三維模型. 3.5數(shù)字化采集的方式，具有很好的兼容性

三維激光掃描技術(shù)可以直接采集大量的、具有全數(shù)字特征的數(shù)據(jù)和信息，這為后期的處理提供了很大的方便.同時三維激光掃描技術(shù)具有很好的兼容性，用戶的界面經(jīng)過后期的處理后，可以與其他的軟件實現(xiàn)三維信息的互換和共享.

3.6 可以與GPS系統(tǒng)外置的數(shù)碼相機(jī)相互配合使用

目前，GPS定位系統(tǒng)極大地擴(kuò)大了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，從而使工程上的許多難題都應(yīng)刃而解.GPS系統(tǒng)外置的數(shù)碼相機(jī)極大地加強(qiáng)了三維激光掃描儀的掃描功能，使工作人員能夠獲得更為全面和準(zhǔn)確的信息和數(shù)據(jù)[4].

三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的技術(shù)一直在不斷的進(jìn)行完善，但是，它也存在著一些不足的地方:

1.三維激光掃描儀是一個具有復(fù)雜構(gòu)造的系統(tǒng)，很難檢驗與維修.因為其儀器設(shè)備的價格非常高，市場上把三維激光掃描儀定位為高檔的儀器設(shè)備，所以三維激光掃描技術(shù)的推廣會受到自身價格的制約.

2.三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)的后處理方式非常浪費時間和精力.其數(shù)據(jù)的處理時間是數(shù)據(jù)獲取時間的10倍之多.三維激光掃描儀具有掃描容易、處理困難的特點，所以還要繼續(xù)開發(fā)對數(shù)據(jù)的處理方式.

3.三維激光掃描儀的掃描后處理軟件技術(shù)目前還不夠完善，各個廠家和商家自成一個體系，彼此之間都是互不相容的，而且他們還缺乏統(tǒng)一的行業(yè)道德和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

4.三維激光掃描儀在三維建模方面具有很強(qiáng)的主觀性，虛擬動畫對非專業(yè)的人們具有很大的迷惑性，導(dǎo)致他們?nèi)菀缀鲆暼S模型的科學(xué)性和可量測性[5].

4 三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中應(yīng)用的技術(shù)依據(jù)

以前傳統(tǒng)的測量儀器只能夠得到一些導(dǎo)線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、巷道中線、斷面等特征點，因此要建立全面而真實的巷道模型是比較困難的.據(jù)觀測得出，在井下650m處形成的巷道內(nèi)存在陰暗、潮濕、高溫、空間狹小等許多不利因素.為了能獲取巷道內(nèi)更加詳細(xì)的信息，從而快速高效地完成掃描任務(wù)，特地選用具有高效移動性、高清晰等優(yōu)點的三維激光掃描儀.前面已經(jīng)提到三維激光掃描儀的特點，所以用戶在任何環(huán)境下都可以使用這種掃描儀，它比較適合在復(fù)雜多變的井下環(huán)境中進(jìn)行掃描測量工作.目前，三維激光掃描技術(shù)主要能滿足礦山以下幾方面的需求：

4.1 金礦的開采量計算是一項重要而艱巨的任務(wù)，需要工作人員快速、準(zhǔn)確地計算出開采量，并且還要管理好后續(xù)的事情.傳統(tǒng)測量儀器的體積測量方法往往誤差比較大，而激光掃描測量技術(shù)具有精確度高、采樣率高等特點，它可以快速、高效地解決采礦量的驗收和后續(xù)問題，可快速、全面地采集礦山空間信息.經(jīng)過三維激光掃描技術(shù)的后續(xù)數(shù)據(jù)處理后，還可以把這些數(shù)據(jù)和信息生成工作人員所需要的各種數(shù)據(jù)報表、三維模型以及效果圖，從而實現(xiàn)對礦山的數(shù)字化管理與可視化管理.

4.2 實現(xiàn)三維立體的直觀設(shè)計

對于礦山中礦藏的貧化量、損失量及設(shè)計的工程量，以前只能利用傳統(tǒng)的計算技術(shù)來估算平面的面積，得出來的結(jié)果也只能是一個估算值.而三維激光掃描技術(shù)能夠通過測量獲取數(shù)據(jù)，可建立無軌機(jī)械化采場巷道的三維模型和詳細(xì)的金礦礦體實體模型，以這些模型為基礎(chǔ)還能對礦山進(jìn)行精確、直觀的設(shè)計，從而更好地為決策者提供有力的技術(shù)支撐，同時，還可以使技術(shù)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高效化、信息化等特點，促進(jìn)技術(shù)管理工作由手工方式向數(shù)字化方式轉(zhuǎn)型[5].

4.3 為數(shù)字化礦山軟件提供大量急需的空間數(shù)據(jù)

通過傳統(tǒng)測量技術(shù)獲得的地質(zhì)資料而建立起來的礦體實體模型，很難真實構(gòu)造全面巷道的三維場景，巷道是井下各種環(huán)境要素的載體，因此，巷道三維模型快速準(zhǔn)確地重現(xiàn)對于礦山的施工決策、安全開采等具有很重要的意義.三維激光掃描儀可以獲取高精度的數(shù)據(jù)及其模型，還可以有效地整合并利用現(xiàn)有的資源，大大提高了礦區(qū)生產(chǎn)管理的信息化水平[6].

5 三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中的應(yīng)用方向

5.1 數(shù)字化礦山的三維化和立體化管理

5.1.1 礦山地下巷道的三維化和可視化管理

三維激光掃描技術(shù)記錄著地下巷道中所有的數(shù)據(jù)和信息，巷道內(nèi)的三維模型是通過三維激光掃描所采集到的數(shù)據(jù)和信息所建立的，它可以將地下的各種情況立體、直觀地展現(xiàn)在我們面前，并且工作人員還能詳細(xì)地了解地下巷道的工作進(jìn)度，從而對整個地下礦區(qū)進(jìn)行透視和管理.此外，在巷道的三維模型中，可以使用通訊設(shè)備，并查看一些設(shè)備的信息.地下巷道三維模型的建立，能夠精確地顯示工作人員的具體實際位置，還可以使工作人員的運動軌跡回放.

5.1.2 建立礦山的三維模型

礦山的三維模型是指用三維激光對礦山的一些建筑和設(shè)施進(jìn)行掃描，可以從中采集到大量的數(shù)據(jù)和信息，然后利用這些數(shù)據(jù)和信息來建立數(shù)字化礦山的三維模型.在特定的三維軟件中記錄著真實和詳細(xì)的信息與數(shù)據(jù)，礦山的管理部門可以正確地了解各種設(shè)施的具體特點和屬性.這樣，就實現(xiàn)了礦山的數(shù)字化管理功能.

5.2 礦山開采體積的精確計算

利用三維激光掃描技術(shù)，可以實現(xiàn)對露天礦坑進(jìn)行定期的掃描，通過從中采集的數(shù)據(jù)和信息來建立礦山數(shù)據(jù)模型.之后把建立的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行疊加分析，我們不但能夠得到一些變化性的模型，而且可以計算此階段內(nèi)開采的礦山體積.

5.3 礦山Web數(shù)據(jù)的瀏覽和計算

利用三維激光掃描技術(shù)，我們能夠獲取大量的礦山采集信息與數(shù)據(jù).與其相匹配的數(shù)碼相機(jī)能夠采集礦山紋理結(jié)構(gòu)，之后通過三維激光掃描點云后處理軟件，可以生成的Web點云.此外，還能把礦山的情況通過網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行三維展示.利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行量算可獲得十分可靠的結(jié)果，因此其也具備比較精確的量算功能.所以，通過采用礦山Web點云，管理者能夠準(zhǔn)確、有效地掌握礦山內(nèi)部的所有細(xì)節(jié).

5.4 礦山采空區(qū)的數(shù)字化治理

隨著開采時間的積累，大量礦山因為長期地下開采而出現(xiàn)一定數(shù)量的采空區(qū)；而這些大量采空區(qū)已然成為制約數(shù)字化礦山快速發(fā)展的重要危險因素，嚴(yán)重束縛了礦山的正常生產(chǎn)經(jīng)營.因此對采空區(qū)邊界、形態(tài)、大小等信息必須做到準(zhǔn)確掌握，同時制定出科學(xué)、有效的處理方案，盡一切可能杜絕采空區(qū)可能引發(fā)的安全事故，而這正是三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢所在.其優(yōu)勢之一的非接觸式測量非常適用于對礦山采空區(qū)的探測，此技術(shù)不但能夠準(zhǔn)確地確定采空區(qū)的位置和分布情況，還能通過礦山的三維模型計算采空區(qū)的實際邊界與體積，以及頂板面積.此技術(shù)的應(yīng)用，能夠真正實現(xiàn)采空區(qū)計算上的三維可視化，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障[7].

6結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)利用自身實時性強(qiáng)、數(shù)字化、精度高等特點，可以快速、高效地獲取三維數(shù)據(jù)，徹底地改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式，為廣大用戶提供了全新的三維實景記錄手段，為測量成果的準(zhǔn)確應(yīng)用提供了多種可能.在目前礦山測量的應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)尚處于起步階段，但是因為自身所擁有的獨特技術(shù)優(yōu)勢與特點，其必將為礦山測量技術(shù)的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山領(lǐng)域的應(yīng)用前景是十分廣闊的.

〔1〕朱良峰，吳信才.基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地層模型的構(gòu)建[J].2004：20(3):26-30.

〔2〕吳立新,史文中.論三維地學(xué)空間構(gòu)模[J].地理與地理信息科學(xué),2005,21(11-14).

〔3〕趙安新.數(shù)字化礦山及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與研究[D].西安:西安科技大學(xué)，2006.40-42.

〔4〕石友峰.三維激光掃描技術(shù)在測量中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué),2007.10-13.

〔5〕劉昌軍，趙雨.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地形快速測量的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪通 報，2012 (6):43-46.

〔6〕王田磊，袁進(jìn)軍.三維激光掃描技術(shù)在建筑物三維建?？梢暬械膽?yīng)用[J].測繪通報,2012(9): 44-47.

〔7〕張亞.三維激光掃描技術(shù)在三維景觀重建中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2001.30-32.

TD17

A

1673-260X（2014）06-0053-03