礦山測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

許曉林 王彥 鄭宇

摘要：科技的日新月異，助推了測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代通訊手段已經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活中非常重要的組成部分。伴隨這些技術(shù)的快速發(fā)展，礦山測(cè)量手段也發(fā)生了翻天覆地的變化，各種測(cè)量技術(shù)層出不窮，在礦山測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，與過(guò)去的測(cè)量技術(shù)相比較，三維激光掃描技術(shù)以其快速、高精度、全方位等特點(diǎn)，迅速引領(lǐng)了礦山測(cè)繪，打破了過(guò)去一些測(cè)量技術(shù)存在的一些弊端和不足，獲取的礦山數(shù)據(jù)信息更加方便與可靠，實(shí)現(xiàn)了礦山數(shù)據(jù)信息的直觀展現(xiàn)，便于相關(guān)人員對(duì)此開(kāi)展研究工作。

關(guān)鍵詞：礦山測(cè)繪;三維激光掃描;技術(shù)應(yīng)用

一、數(shù)據(jù)采集與處理

1.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行礦山測(cè)繪的過(guò)程中，所選用的測(cè)繪儀器為RIEGL（瑞格）VZ-2000型三維激光掃描儀，該儀器具有長(zhǎng)達(dá)2050m的掃描距離，在掃描距離不斷增加的同時(shí)，掃描的精度在隨之降低。為此，進(jìn)一步提高測(cè)繪的效率，使測(cè)繪的精度能夠與大比例尺的要求相符合。測(cè)繪區(qū)域的勘察應(yīng)在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前進(jìn)行，對(duì)掃描儀和標(biāo)靶有合理的定位，對(duì)測(cè)繪的實(shí)際面積測(cè)量，并按照測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行劃分，以使測(cè)繪的精度可以得到有效的提升。在對(duì)掃描儀和標(biāo)靶的位置進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)首先考慮掃描儀覆蓋的范圍，避免在掃描過(guò)程中，出現(xiàn)測(cè)繪盲區(qū)，同時(shí)對(duì)與測(cè)站的選擇也要有充分的考慮，以提高外業(yè)數(shù)據(jù)的采集效率。

1.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在對(duì)大比例尺地形進(jìn)行繪制的過(guò)程中，使用3D激光掃描技術(shù)。在掃描過(guò)程中，掃描儀受到測(cè)繪區(qū)域有效距離、地形等條件的限制。完成測(cè)繪任務(wù)需要多次臺(tái)站移動(dòng)。在大地測(cè)量和制圖區(qū)域內(nèi)。在掃描的過(guò)程中，每一個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)都是掃描儀所定位的坐標(biāo)點(diǎn)。為此，為了實(shí)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，必須對(duì)獨(dú)立站點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。為了不對(duì)大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度產(chǎn)生影響，在獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以將每個(gè)站點(diǎn)的掃描云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，就是利用相鄰兩個(gè)站點(diǎn)間3個(gè)以上的點(diǎn)對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行控制。

1.3信息提取與等高線生成

3D激光掃描技術(shù)在掃描和獲取測(cè)繪區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，包括區(qū)域內(nèi)的所有表面信息。也就是說(shuō)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的不僅僅是礦山測(cè)量的地形信息。和制圖區(qū)域，但還包括樹(shù)木、植被、電線桿、房屋等。信息并包含大量噪音。因此，過(guò)濾和剔除非地形信息是提高地形測(cè)繪質(zhì)量的重要手段。本文檔選用RisCANPRO軟件來(lái)過(guò)濾和刪除非地形和表面數(shù)據(jù)。完成去除非地形和空間信息后，在RisCANPRO軟件中，根據(jù)定義的等高線間隔手動(dòng)提取測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊自動(dòng)創(chuàng)建水平線。

二、三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

三維掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中主要應(yīng)用在以下三種領(lǐng)域中：①未開(kāi)采或已經(jīng)開(kāi)采礦區(qū)的三維模型構(gòu)建，可以直接利用礦區(qū)地表點(diǎn)位數(shù)據(jù)云對(duì)未開(kāi)采礦區(qū)進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，過(guò)程較為簡(jiǎn)單，相對(duì)比來(lái)說(shuō)，已經(jīng)開(kāi)采的礦區(qū)模型建立就比較復(fù)雜，首先需對(duì)礦區(qū)進(jìn)行掃描，在這個(gè)掃描的過(guò)程中需要將三維測(cè)量設(shè)備安置在礦區(qū)巷道內(nèi)，進(jìn)行巷道模型的構(gòu)建，而此模型構(gòu)建的過(guò)程與外部三維模型構(gòu)建相對(duì)比來(lái)說(shuō)速度較慢，效率不高，造成這種情況的主要原因是受到外部測(cè)量條件的限制較大。雖然效率較慢，但它具有較高的安全性，確保整個(gè)測(cè)量過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)安全危險(xiǎn)。②礦區(qū)開(kāi)挖體積計(jì)算，主要是在露天開(kāi)采的環(huán)境中應(yīng)用，對(duì)于露天礦區(qū)來(lái)說(shuō)，開(kāi)采位置和非開(kāi)采位置之間存在較大區(qū)別，區(qū)域特性可以通過(guò)激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行識(shí)別，能夠有效將需要開(kāi)挖的體積進(jìn)行確定。③對(duì)于采空區(qū)的整理和防護(hù)，礦山開(kāi)采會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成較大的破壞，尤其是采空區(qū)存在更大的危險(xiǎn)，采空區(qū)可以為作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)難以在采空區(qū)進(jìn)行有效利用，也存在較大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，而三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)這種障礙進(jìn)行有效消除，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的精準(zhǔn)測(cè)量，并且可以把技術(shù)支持提供給采空區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，從而使作業(yè)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2.2三維激光掃描技術(shù)基本應(yīng)用流程

三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用分為下面三個(gè)環(huán)節(jié)：①通過(guò)三維激光掃描設(shè)備對(duì)礦山的點(diǎn)位信息、測(cè)量面以及地質(zhì)信息等進(jìn)行快速獲取。首先，利用人工觀察將礦山的大致地質(zhì)環(huán)境確定下來(lái)，將掃描設(shè)備的測(cè)繪參數(shù)設(shè)定好，比如探頭、待采礦藏和實(shí)際執(zhí)行范圍等，確保礦山位置信息能夠通過(guò)測(cè)繪信息反映出來(lái)。接下來(lái)進(jìn)行激光掃描，對(duì)礦山待測(cè)面的三維點(diǎn)位信息進(jìn)行獲取。②三維立體模型建立工作。通過(guò)測(cè)量工作獲取來(lái)的大量點(diǎn)位地質(zhì)信息和三維信息，利用GPS系統(tǒng)完成定位，將礦山待測(cè)表面的立體圖像構(gòu)建出來(lái)，由此呈現(xiàn)出整體的礦山三維模型，有利于開(kāi)采作業(yè)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，還能夠幫助作業(yè)檢測(cè)和試供暖人員對(duì)礦山地質(zhì)范圍和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行更加透徹的了解，從而促進(jìn)礦山開(kāi)發(fā)效率和安全管理水平的提升。③以獲取到的三維立體模型為依據(jù)，對(duì)礦山信息和數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行更加豐富的擴(kuò)建，并對(duì)三維激光掃描技術(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效利用，從而將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立起來(lái)。

2.3礦區(qū)管理的三維立體化

2.3.1 礦區(qū)地表三維模型的建立

三維激光掃描技術(shù)可以為礦區(qū)地表三維模型的建立提供豐富的數(shù)據(jù)信息，對(duì)相關(guān)建筑設(shè)施進(jìn)行掃描，獲得準(zhǔn)確的點(diǎn)云信息，將三維模型建立目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。不同模型的屬性可以通過(guò)專門(mén)的軟件來(lái)確定，能夠?qū)?zhǔn)確的信息提供給礦山管理工作，有利于管理工作的順利進(jìn)行。另外，還可在建立的模型中科學(xué)運(yùn)用索引目錄，方便有需要的工作人員對(duì)模型進(jìn)行查看，只需電機(jī)目錄索引，就可以快速進(jìn)入有關(guān)的界面，使得礦山管理的數(shù)字化程度得以提升。

2.3.2 直觀展現(xiàn)礦區(qū)地下巷道情況

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以收集礦區(qū)巷道內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，還能準(zhǔn)確掃描到微小的變化。然后獲取具體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，通過(guò)建立三維模型來(lái)講巷道的實(shí)際情況真實(shí)的反映出來(lái)。此外，還可以實(shí)時(shí)掌握巷道內(nèi)的實(shí)際工作情況，將礦區(qū)地下巷道場(chǎng)景進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，能夠進(jìn)行巷道內(nèi)設(shè)施和設(shè)備的掃描工作，進(jìn)而建立相關(guān)模型，對(duì)具體情況進(jìn)行直觀的了解。還可以與通訊設(shè)備相結(jié)合，確保具體信息能夠被及時(shí)了解和掌握。以巷道模型為基礎(chǔ)，可以對(duì)人員的具體位置進(jìn)行立體定位，掌握工作人員的實(shí)際工作進(jìn)度，并在此模型中確定相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，讓監(jiān)測(cè)工作的可視化和立體化得以實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展，礦山測(cè)繪也得到了很好的發(fā)展，過(guò)去單點(diǎn)的測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代化礦山測(cè)繪的發(fā)展要求。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，很好的補(bǔ)充了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)存在的不足，是基于GPS技術(shù)上的發(fā)展與革新。不僅具有高效快速等特點(diǎn)，而且測(cè)量數(shù)據(jù)非常精準(zhǔn)，無(wú)需和測(cè)量物體進(jìn)行直接接觸。尤其是對(duì)一些高危的地區(qū)開(kāi)展測(cè)量工作具有非常大的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有光線限制，可以進(jìn)行不間斷的實(shí)施作業(yè)。自動(dòng)化程度非常高，可以很好的對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王繼輝.三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)快速測(cè)繪中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018（04）.

[2]李鵬宇，姜岳，宗琪等.基于三維激光掃描技術(shù)的某金礦采場(chǎng)體積測(cè)量與計(jì)算[J].金屬礦山，2018，V47（04）：145-149.

[3]馬勇，梅澤.基于三維激光掃描儀測(cè)距精度的分析[J].礦山測(cè)量，2018（01）.