三維激光掃描技術(shù)在礦山儲量監(jiān)測中的應用探討

馬華雪 孫家兵

摘 要： 三維激光掃描儀在近十年來取得飛速發(fā)展，由于其特有非接觸，高速，全信息化的采集數(shù)據(jù)能力。使其在眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應用：從工程建設(shè)，考古研究，地質(zhì)災害，森林分析，測繪與地理信息，刑事偵查等。本文主要通過三維激光掃描在礦山儲量測算中的應用分析，剖析三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測算技術(shù)的優(yōu)劣以及其在礦山管理中的應用前景。

關(guān)鍵詞： 礦山儲量 點云 矢量數(shù)據(jù)模型 三維激光掃描技術(shù)

一、礦山儲量管理現(xiàn)狀

1.管理的內(nèi)容和技術(shù)方法：礦山儲量動態(tài)管理的目的是適時、準確掌握礦山資源儲量保有、變化情況，促進礦山資源儲量的有效保護和合理利用。并通過礦山測量、礦山地質(zhì)調(diào)查等工作，建立礦山儲量臺帳，編制礦山生產(chǎn)有關(guān)圖件及《礦山儲量年報》方式來實現(xiàn)。

而礦山測量是礦山儲量管理最基礎(chǔ)性技術(shù)工作，其主要工作內(nèi)容是在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中進行地上、地下工程施工測量，測繪采掘（剝）工程圖，繪制礦體幾何圖，對采掘工程的數(shù)量和質(zhì)量、采礦量和礦石損失貧化等進行統(tǒng)計和監(jiān)督。測制礦區(qū)大比例尺地形圖或現(xiàn)狀圖。

現(xiàn)行的礦山測量一般都采用全站儀或GPSRTK采集礦區(qū)平面和高程數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計開采（范圍，坡度，臺段高度）信息，通過人工計算或AUTOCAD等軟件幾何作圖求出各開采段的礦產(chǎn)剖面形狀，再利用下列公式估算開采量：

公式①：當上、下斷面面積差比值 ≤40%時，采用棱柱體公式計算，公式為V= （S1+S2）。

公式②：當上、下斷面面積差比值 >40%時，采用截錐體公式計算，公式為V= （S1+S2+ ）。

公式③：當塊段僅有一個斷面有效，另一端作點尖滅時，采用角錐體公式計算，公式為V= S。

公式④：當塊段僅有一個截面有效，另一端作線形尖滅，采用楔形體公式計算，公式為V= S。

上面的方法實質(zhì)是斷面法的變異，也可以根據(jù)一般的土石方計算軟件采用方格網(wǎng)法進行計算。

計算附圖也主要以二維平面圖為主。輸出的數(shù)據(jù)是離散的數(shù)據(jù)文件，包括圖形文件：*.dwg，文檔數(shù)據(jù)*.doc或*.xls。

2.存在的問題

目前所應用的礦山測算方法已經(jīng)沿用多年，雖然對礦山的動態(tài)管理和礦山年報的制作起到一定的作用，但與礦產(chǎn)資源精細化、信息化管理還有相當大的差距。而在全省，乃至全國露天礦數(shù)量眾多，其開采狀況與自然環(huán)境有密切的關(guān)系。加強對這些礦山的管理和監(jiān)測不僅是礦山資源管理的任務，也是環(huán)保部門迫切需要關(guān)注的問題。

傳統(tǒng)的礦山測算方式存在以下不足：

1， 全站儀或GPS測量是粗放的采集離散點，尤其是在開挖不規(guī)則的礦區(qū)，其與實際情況的吻合度較低。

2， 傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)需要人員到地形特征點跑尺，不僅帶有一定的危險性，而且其測量效率低下。

3， 傳統(tǒng)的礦山測量數(shù)據(jù)后處理，采用的計算方法落后（粗放的近似估算），數(shù)據(jù)處理自動化程度低，計算結(jié)果帶有較大的誤差。且成果的直觀性差，可驗證性不大。

4， 輸出的圖形形式單一，可讀性不高；文檔結(jié)構(gòu)松散，不便于歸檔，查詢，更新，分析，統(tǒng)計，共享和預決策使用。

二、三維激光掃描技術(shù)原理及發(fā)展趨勢

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。新型掃描一般配置同軸高清數(shù)碼相機，在采集點云數(shù)據(jù)同時采集對象的柵格圖像數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)點云柵格數(shù)據(jù)的匹配。新型掃描儀的掃描速度都在10000點/秒以上。由于其能快速，精確，全面信息采集功能，使得其應用無所不在。以徠卡新型HDS8800掃描儀為例，該儀器最大測程為2000米，視場角360*80，內(nèi)置同軸7000萬像素相機，預留GPS通訊端口。其配置的專業(yè)I-Site Sudio數(shù)據(jù)處理軟件，能進行掃描儀控制，拼接，建模 （二維，三維），數(shù)據(jù)導出，體積、表面積計算，生成等高線，繪制斷面圖、產(chǎn)狀圖，三維場景渲染，建筑總平面等圖和立面圖繪制。非常適合礦山，地形，海島灘涂，電力線路巡檢等遠距離監(jiān)測應用。隨著三維數(shù)字城市，智慧城市，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。三維掃描儀在虛擬地理環(huán)境（VGE）中的應用將會得到普遍的應用。

三、案例應用

1.以某石礦為例來說明三維激光掃描儀的應用優(yōu)勢：

某石礦位于浙江省新安江市，采掘面積約0.09平方公里，年開采量約10萬噸。2011年運用傳統(tǒng)方法和三維激光掃描方法同時對概況進行儲量開采測量。為了能更好的進行比較，驗證三維激光掃描儀技術(shù)的精度。我們在采用傳統(tǒng)全站儀采集數(shù)據(jù)時分成3個等級進行。第一個等級用了15米采樣間距；第二個等級用了10米采樣間距，第三個等級用5米采樣間距。三維激光掃描是采用0.1m/200m的采樣密度進行。

2.結(jié)論：

通過上面的例子我們明顯的看到，應用三維激光掃描技術(shù)來進行礦山地質(zhì)測量工作，有著傳統(tǒng)測量無法比擬的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)以下幾個方面：

1， 采集數(shù)據(jù)信息豐富。三維激光掃描儀不僅僅采集單一的平面幾何數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置數(shù)據(jù)相機，能夠采集到實體對象的屬性信息（色彩，形狀，物體類型，材質(zhì)等）。這些數(shù)據(jù)的通過疊加能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的“實景復制”。

2， 安全高效。激光掃描技術(shù)屬于非接觸測量，對于人力無法到達或危險地區(qū)如懸崖，沼澤，高壓設(shè)施等，激光掃描技術(shù)無疑是最佳選擇。其高密度、高速成片掃描既保證了掃描的質(zhì)量和速度，同時也大大提高生產(chǎn)的安全性。

3， 成果的可靠性。三維掃描獲得的是海量的點云數(shù)據(jù)，其后處理是通過計算機模型自動處理，不僅提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，同時也減少了內(nèi)業(yè)的任務量?！皩嵕皵?shù)據(jù)”可以隨時調(diào)用，在線歷史現(xiàn)場。是歷史回溯的寶貴資料。

4， 數(shù)據(jù)的通用性。三維掃描數(shù)據(jù)既有矢量數(shù)據(jù)，又有柵格圖像數(shù)據(jù)，二者是嚴格匹配的。也是與目前的三維GIS數(shù)據(jù)要求一致的，可以根據(jù)需要隨時將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GIS管理系統(tǒng)。實現(xiàn)礦山三維動態(tài)實時監(jiān)管。

當然，作為一門新興的測量科學技術(shù) ，三維激光掃描儀的應用也有其局限性。就礦山儲量管理應用而言，它無法探測礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以無法獲得礦體的產(chǎn)狀。這對產(chǎn)狀復雜的金屬礦床來說，其應用受到大大的限制。但與地質(zhì)勘探資料結(jié)合，采取適當?shù)慕７绞?，對于提高金屬礦，尤其是貴金屬礦的估算精度還是非常有價值的。總之，三維激光掃描技術(shù)對于正在蓬勃發(fā)展的虛擬地理環(huán)境（VGE）建設(shè)給予越來越多的支持，有著廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張國良.礦山測量學[M] 中國礦業(yè)大學出版社，2008.10

[2] 謝宏全 地面三維激光掃描技術(shù)與工程應用[M] .武漢大學出版社 ，2013年

[3] 李清泉，楊必勝，史文中. 三維空間數(shù)據(jù)的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學出版社，2003.