礦山測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

朱生海，石 靈，唐文明

(1. 青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局七隊(duì)，青海 西寧 810000； 2. 青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局八隊(duì)，青海 西寧 810000； 3. 西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810000)

礦山測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

朱生海1，石 靈2，唐文明3

(1. 青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局七隊(duì)，青海 西寧 810000； 2. 青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局八隊(duì)，青海 西寧 810000； 3. 西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810000)

隨著測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展，很多先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)在礦山領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是GPS以及全站儀的應(yīng)用，大大提升了礦山的測(cè)繪水平。然而這些常規(guī)的測(cè)繪技術(shù)也存在很多不足，都是進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，難以全面的對(duì)測(cè)量目標(biāo)信息進(jìn)行反應(yīng)，存在一定的局限性，現(xiàn)在已經(jīng)很難適應(yīng)礦山測(cè)繪的發(fā)展要求。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，為礦山測(cè)繪提供了很好的發(fā)展路徑。作為一種新興的技術(shù)，以其快速、高效、便捷等特點(diǎn)迅速的被應(yīng)用于礦山測(cè)繪領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，打破了常規(guī)測(cè)量，信息數(shù)據(jù)不全面的僵局，促使了礦山數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快。針對(duì)礦山測(cè)繪領(lǐng)域該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討，希望為相關(guān)工作提供參考。

礦山測(cè)繪；三維激光掃描；技術(shù)應(yīng)用

0 前 言

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)[1]，便于相關(guān)人員對(duì)此開展研究工作。三維激光掃描與校準(zhǔn)過(guò)的數(shù)字相機(jī)相匹配，同時(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的照片拍攝，并通過(guò)專用處理軟件，自動(dòng)將拍攝的照片像素加載到點(diǎn)云上，生成實(shí)際顏色的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直觀、精確地對(duì)礦區(qū)地形變化，礦體變化等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為礦山測(cè)量工作的首選手段。以其獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了礦山測(cè)量的高效化與精準(zhǔn)化，促進(jìn)礦山事業(yè)的不斷前進(jìn)。

1 工作原理與特點(diǎn)

1.1工作原理

基于快速激光掃描手段，能夠?qū)y(cè)量目標(biāo)進(jìn)行全方位，不間斷的進(jìn)行精準(zhǔn)掃描，短時(shí)間內(nèi)得到被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，對(duì)點(diǎn)位的空間信息實(shí)現(xiàn)了高速化與海量化測(cè)量，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體三維影像模型的建立。不僅迅速高效，而且自動(dòng)化程度非常高，可以進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲得的數(shù)據(jù)信息非常精準(zhǔn)。通過(guò)激光測(cè)距理論，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)云信息的真實(shí)數(shù)據(jù)，依照此理論，可以在短時(shí)間內(nèi)以精準(zhǔn)的三維模型進(jìn)行直觀的展現(xiàn)，便于相關(guān)研究工作的開展。該項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是，能夠?qū)y(cè)量物體進(jìn)行海量的點(diǎn)位信息獲取，非常密集。彌補(bǔ)了過(guò)去測(cè)量技術(shù)單點(diǎn)測(cè)量的弊端，由此打開了測(cè)量技術(shù)由單點(diǎn)向面發(fā)展的革命，是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上的更新與發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不斷快速，而且非常精準(zhǔn)，優(yōu)勢(shì)突出。實(shí)現(xiàn)了被測(cè)目標(biāo)三維點(diǎn)云信息的快速獲取，所以能夠?yàn)閿?shù)字地形模型提供可靠地?cái)?shù)據(jù)，使其精度更高，分辨率更強(qiáng)[2]。傳統(tǒng)的測(cè)量手段，如GPS以及全站儀等，雖然在獲取三維信息方面發(fā)揮著非常重要的作用，但與三維激光掃描技術(shù)相比較，這些傳統(tǒng)技術(shù)在獲取信息數(shù)據(jù)的精度方面與之存在很大距離，難以滿足如塌方地段以及采空區(qū)域需要進(jìn)行高精度與高密度的需要，同時(shí)在獲取這些信息的過(guò)程中還要面臨非常大的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，這些問(wèn)題可以得到很好的解決，不僅快速方便，而且獲取的信息非常全面、精準(zhǔn)，無(wú)需對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行接觸，就能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取。

1.2應(yīng)用特點(diǎn)

1)效率高、用時(shí)短、自動(dòng)化、測(cè)量距離遠(yuǎn)

采用三維激光掃描技術(shù)，能夠在短時(shí)間進(jìn)行建站，通過(guò)對(duì)兩三個(gè)標(biāo)靶坐標(biāo)的掃描，就可以進(jìn)行建站，之后相關(guān)工作則可在自動(dòng)化下得以實(shí)現(xiàn)，用時(shí)非常短暫，與其他測(cè)繪技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有較長(zhǎng)的測(cè)量距離。而且整個(gè)測(cè)量階段無(wú)需進(jìn)行棱鏡發(fā)射，不予測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行接觸。

2)互聯(lián)網(wǎng)+、動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性

三維激光掃描技術(shù)采樣點(diǎn)的實(shí)際速率較高，可在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，將該技術(shù)與手機(jī)等移動(dòng)終端進(jìn)行對(duì)接，在手機(jī)上進(jìn)行操作就可以完成相關(guān)的測(cè)繪工作。

3)數(shù)字化程度高、精度較高

三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)定位實(shí)際精確度較高，在實(shí)施階段不用對(duì)測(cè)量物體進(jìn)行專門的處理工作，不用與測(cè)量物體進(jìn)行接觸即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)三位點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的獲取。而且該項(xiàng)技術(shù)數(shù)字化程度非常高，并且具有很好的兼容特點(diǎn)。同時(shí)具備全面的技術(shù)軟件，能夠很好的進(jìn)行礦山測(cè)繪工作。

4)可以全面的對(duì)信息進(jìn)行采集

該項(xiàng)技術(shù)在進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，借助一些輔助手段(機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的精準(zhǔn)掃描，獲取全面的數(shù)據(jù)信息。該項(xiàng)技術(shù)集合了激光發(fā)射裝置以及電路控制板與數(shù)碼照相設(shè)備，同時(shí)還有濾光鏡等，對(duì)被測(cè)目標(biāo)的三維信息獲取可在很短的時(shí)間內(nèi)完成，并且獲得的數(shù)據(jù)非常精準(zhǔn)。在激光測(cè)距的作用下記錄了測(cè)量過(guò)程中目標(biāo)的各個(gè)不同點(diǎn)位，得出其實(shí)際的距離。同時(shí)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，在相關(guān)軟件的幫助下，處理這些信息，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并直觀的展現(xiàn)出來(lái)。

2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以使礦山的管理工作更加精準(zhǔn)，利用網(wǎng)絡(luò)，就可以對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行直觀展現(xiàn)。便于開展礦山三維模型的研究工作，并且相關(guān)信息非常精準(zhǔn)。利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行不同時(shí)間范圍內(nèi)的掃描，可以為數(shù)據(jù)模型的建立提供支持，在對(duì)這些信息進(jìn)行分析后，能夠短時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的變化情況信息進(jìn)行讀取，掌握礦山的實(shí)際情況[3]。為礦山相關(guān)工作的開展提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

3 礦山測(cè)繪過(guò)程中的具體應(yīng)用

3.1礦區(qū)管理的三維立體化

3.1.1 建立礦區(qū)地表三維模型

通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，能夠?yàn)榻⒌V區(qū)地表三維模型提供充足的數(shù)據(jù)信息，掃描區(qū)內(nèi)的相關(guān)建筑設(shè)施，然后得到精準(zhǔn)的點(diǎn)云信息，實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。通過(guò)專門的軟件對(duì)不同的模型進(jìn)行相關(guān)的屬性確定，為礦山管理提供準(zhǔn)確的信息，便于工作的開展。同時(shí)，也可將索引目錄運(yùn)用到所建立的模型中，為需要進(jìn)行查看的人員提供很好的便捷性，對(duì)目錄索引進(jìn)行點(diǎn)擊，即可快速的進(jìn)入相關(guān)的界面，從而提高了礦山的數(shù)字化程度。

3.1.2 直觀展現(xiàn)礦區(qū)地下巷道情況

采用該項(xiàng)技術(shù)，能夠?qū)ΦV區(qū)巷道的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對(duì)于微小的變化也可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的掃描。然后獲知具體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)三維模型的建立，反應(yīng)巷道的具體情況。同時(shí)，可以實(shí)時(shí)的對(duì)巷道內(nèi)的實(shí)際工作情況予以掌握，達(dá)到礦區(qū)地下巷道情境的直觀展現(xiàn)。而且通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，對(duì)礦區(qū)地下巷道相關(guān)的設(shè)施與設(shè)備進(jìn)行掃描，建立相關(guān)的模型，了解其具體情況。而且可以將通訊設(shè)備與此進(jìn)行接通，及時(shí)了解其具體信息。基于巷道模型，可以在立體的層面上對(duì)人員的具體位置進(jìn)行定位，掌握其實(shí)際情況。并將相關(guān)的監(jiān)測(cè)設(shè)備在此模型中進(jìn)行確定，倘若出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以進(jìn)行相關(guān)的報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的立體化與可視化。并且可以通過(guò)此模式，對(duì)工作人員進(jìn)行相關(guān)的培訓(xùn)工作，使大家對(duì)安全知識(shí)有一個(gè)更加充分的了解，達(dá)到更好的培訓(xùn)水平。利用該項(xiàng)技術(shù)，使得礦山管理更加精準(zhǔn)[4]。

3.2礦區(qū)Web點(diǎn)云的瀏覽和量算

礦山點(diǎn)云信息的獲取都可以基于三維激光掃描技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)搭載的照相設(shè)備，能夠很好的采集礦山的紋理，通過(guò)專門的軟件設(shè)備，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成Web點(diǎn)云，反應(yīng)礦山的實(shí)際情況。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)三維形式對(duì)礦山的具體情況進(jìn)行直觀展現(xiàn)。Web點(diǎn)云不但能以三維數(shù)據(jù)形式將礦山情況進(jìn)行展現(xiàn)，而且還兼有具體的實(shí)景顏色。通過(guò)相關(guān)設(shè)備即可對(duì)礦山的具體情況進(jìn)行了解。同時(shí)其還有很好的量算作用，得出的結(jié)果非常適用。為礦山的精準(zhǔn)化管理提供了很好的數(shù)據(jù)價(jià)值。

3.3精確統(tǒng)計(jì)礦區(qū)開挖體積

通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠很好的掌握露天礦的開挖情況，需要定時(shí)的對(duì)目標(biāo)區(qū)域開展掃描工作，在有關(guān)數(shù)據(jù)的支撐下，使不同時(shí)期的數(shù)據(jù)在模型上能夠直觀的進(jìn)行展現(xiàn)。然后疊加在一起進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)某一階段的變化特征，精確的計(jì)算開挖體積，為礦山開采作業(yè)提供有利參考。

3.4采空區(qū)數(shù)字化治理

由于礦山開采活動(dòng)的不斷破壞，產(chǎn)生了非常多的采空區(qū)，存在相當(dāng)大的安全隱患。給工作人員的生產(chǎn)作業(yè)造成很大威脅。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，就可以全面精準(zhǔn)的了解這些采空區(qū)的具體情況，為有效地治理措施的制定提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。采用該項(xiàng)技術(shù)，不僅無(wú)需與測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行接觸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)很好的測(cè)量，避免了常規(guī)測(cè)量手段進(jìn)行接觸測(cè)量的弊端，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)依照該項(xiàng)技術(shù)，可以對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行模型建立，這樣對(duì)其具體情況會(huì)有更加深入的了解，掌握其實(shí)際變化情況，達(dá)到可視化監(jiān)測(cè)，對(duì)礦山數(shù)字治理具有非常重要的作用。

4 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)。

[1] 邱俊玲, 夏慶霖, 姚凌青, 等. 基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用[J]. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014(6): 1209-1216.

[2] 張姣, 鄭粉莉, 溫磊磊, 等. 利用三維激光掃描技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)溝蝕發(fā)育過(guò)程的方法研究[J]. 水土保持通報(bào), 2011(6): 89-94.

[3] 馬利, 謝孔振, 白文斌, 等. 地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 北京測(cè)繪, 2011(2): 48-51.

[4] 白立飛, 潘寶玉, 張?zhí)m. 三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用[J]. 山東國(guó)土資源, 2015(7): 96-98.

3DofLaserScanningTechnologyApplicationinMineSurveyingandMapping

ZHU Shenghai1, SHI Ling2, TANG Wenming3

(1.TheSevenTeamofQinghaiNonferrousGeologyandMineralExplorationBureau,Xining,Qinghai810000,China; 2.TheEightTeamofQinghaiNonferrousGeologyandMineralExplorationBureau,Xining,Qinghai810000,China; 3.XiningInstituteofSurveyingandMapping,Xining,Qinghai810000,China)

With rapid development of technology of surveying and mapping, a lot of advanced surveying and mapping technology has been widely used in the field of mining. Application of GPS and total station instrument in particular have greatly enhanced the level of mine surveying and mapping. These general surveying and mapping technology, however, show a lot of shortcomings, including single point measurement and much of the reaction to target information and some limitations. It is hard to adapt to the development of mine surveying and mapping requirements. The development of three-dimensional laser scanning technology for mine surveying and mapping have provided a good growth path. As a new technology, we think, with its fast and efficient and convenient features, it will find a rapid application in mining areas of surveying and mapping. The technology with its unique technical advantages and features will break the routine measurement in information not complete deadlock to contribute to the accelerating process of mine digitalization. This paper makes a discuss the application of this technology in the field of surveying and mapping, hoping to provide a reference.

Mine mapping; Three dimensional laser scanning; Technology application

2017-07-31

朱生海(1985-)，男，青海樂(lè)都人，測(cè)繪工程師，研究方向：測(cè)量新技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用，手機(jī)：13997484338，E-mail：zhushenghai1985@126.com.

TD17

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.051