三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用

楊華祥+張坤梅

摘要：露天礦的測量可以使管理者更好地了解礦區(qū)的開采情況和資源的儲量，是管理者做出相應(yīng)決策的重要依據(jù)，因此保證露天礦測量的精度具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的測量方式因?yàn)樾枰斯みM(jìn)行采點(diǎn)，測量速度慢、精確度不高，并且具有一定的安全隱患，使用三維激光掃描技術(shù)則可以很好地解決傳統(tǒng)測量方式中遇到的問題。本文主要闡述相比較傳統(tǒng)的測量方式三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢，并通過具體實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：三維激光；掃描技術(shù)；露天礦測量

露天礦測量的主要任務(wù)是礦山儲量的測量，測量結(jié)果對管理者對于礦區(qū)的監(jiān)管具有重要意義。傳統(tǒng)露天礦測量方式具有一定的缺陷，不能夠準(zhǔn)確地反映出露天礦的真實(shí)開采情況，并且需要消耗大量的人力物力。而采用三維激光掃描技術(shù)則可以提高露天礦測量的精度，測量時(shí)間也大幅縮短，能夠給管理者提供更加直觀準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

一、露天礦測量的概念和主要目的

露天礦測量指在露天礦的設(shè)計(jì)及開采階段，為指導(dǎo)和監(jiān)督露天礦的開采和剝離所進(jìn)行的一系列的測量。露天礦測量的工作內(nèi)容主要有： 建立礦區(qū)基礎(chǔ)測量控制網(wǎng)和進(jìn)行礦區(qū)的地形測量、采場測量、線路測量等地質(zhì)測量，對露天礦的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行觀測，計(jì)算礦區(qū)的礦體體積，檢驗(yàn)地質(zhì)測量成果，計(jì)算礦區(qū)儲量以及繪制測量圖和編制年報(bào)等。

礦山儲量地質(zhì)測量是露天礦測量的主要目的。礦山儲量地質(zhì)測量是以礦山占用資源儲量登記依據(jù)的礦產(chǎn)勘查報(bào)告或儲量核算報(bào)告和上年度礦山儲量年報(bào)為基礎(chǔ)，運(yùn)用礦山測量和礦山地質(zhì)編錄、礦山采樣測試等技術(shù)手段，通過礦山地質(zhì)資料整理，估算礦山本年度的開采量、損失量以及資源儲量增減量，編制礦山儲量年度報(bào)告，對礦山本年度保有資源儲量進(jìn)行年度結(jié)算[1]。

二、傳統(tǒng)露天礦測量方法的缺點(diǎn)

（一）測量精度較低

傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方式是在要測量的礦區(qū)范圍內(nèi)，選取一些地形特征點(diǎn)，間隔一定距離來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后根據(jù)這些選取的點(diǎn)進(jìn)行礦體計(jì)算，因此，傳統(tǒng)地質(zhì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于所選取的點(diǎn)的數(shù)量、位置和選擇的計(jì)算模型。對于比較平坦的礦山開采面來說立尺點(diǎn)的位置和數(shù)量有一定的保證，測量結(jié)果相對來說比較準(zhǔn)確。但由于礦山在開采時(shí)會在開采面形成許多不規(guī)則的曲面，尤其對于露天礦，開采面比較復(fù)雜，許多地方作業(yè)人員基本無法達(dá)到，因此立尺點(diǎn)的位置和數(shù)量便不能得到滿足，由于采點(diǎn)之間的距離相對較大，測量結(jié)果的精確度便會降低。

根據(jù) 《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》（ GB/T18341—2001） 的技術(shù)要求，剖面點(diǎn)的高程中誤差不得超過 1/3 等高距[2]。傳統(tǒng)的地質(zhì)測量技術(shù)很難達(dá)到這樣的精度要求，從實(shí)際測量工作來看，許多礦山的儲量測量都需要結(jié)合多種指標(biāo)如炸藥的用量等來進(jìn)行多次核算，由于傳統(tǒng)地質(zhì)測量技術(shù)精確度不高，已經(jīng)嚴(yán)重影響了礦山儲量的可信度。

（二）測量速度較慢

傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方式需要人工進(jìn)行立尺點(diǎn)的確定和測量，在投入人手充足的情況下，一個(gè)工作小組在一個(gè)工作日一般只能夠測量一個(gè)礦山，再加上必須的準(zhǔn)備工作和數(shù)據(jù)測算，一般完成一個(gè)礦山的測量工作便需要兩天，而礦山儲量的動態(tài)監(jiān)管時(shí)效性很強(qiáng)，短時(shí)期內(nèi)便需要再次進(jìn)行測量。因此使用傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方式由于測量速度較慢，需要投入大量的人力物力。

（三）存在安全隱患

礦山表面的地質(zhì)條件復(fù)雜，常有山體滑坡、墜巖等情況發(fā)生，傳統(tǒng)的測量技術(shù)由于需要測量人員至各個(gè)地區(qū)采點(diǎn)，便需要測量人員在陡坡、懸崖峭壁上進(jìn)行采點(diǎn)測量，具有一定的危險(xiǎn)性。

（四）直觀性較差

傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方式只能夠提供測量數(shù)據(jù)，并沒有直觀的礦山圖像，管理者只能根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行礦山儲量的判斷，無法直觀地了解礦區(qū)的開采狀況。

三、三維激光掃描技術(shù)的原理和特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)是指一項(xiàng)基于高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行體積測量計(jì)算的技術(shù)，使用依據(jù)三維激光掃描技術(shù)制作的儀器，可以十分快速地對礦區(qū)進(jìn)行掃描測量，測量精度較高，并且可以提供全景影像圖片，從而達(dá)到數(shù)據(jù)、圖像和礦山開采狀態(tài)的一致。

（一）三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描儀器一般包括掃描儀、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三部分。掃描儀向外發(fā)射激光脈沖，在接觸到物體后，激光脈沖被反射回掃描儀，根據(jù)激光脈沖從發(fā)出到被返回掃描儀的時(shí)間來計(jì)算物體距離，掃描儀將獲得的物體信息進(jìn)行處理并自動進(jìn)行存儲和計(jì)算，最終獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終，使用編碼器根據(jù)掃描儀的旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算并獲得每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，從而生成三維圖像，最終生成精確的數(shù)字模型。

（二）三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

相比較傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方式，三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲得測量數(shù)據(jù)并提供精確完成的礦區(qū)圖像，具有如下特點(diǎn)：

1、無需與礦山實(shí)際接觸。三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測量，不再需要測量人員親自至礦山進(jìn)行采點(diǎn)測量，對于比較危險(xiǎn)、測量人員不容易接近的情況，利用三維激光掃描技術(shù)便可以輕松進(jìn)行測量。

2、數(shù)據(jù)采樣率高。測量結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于采點(diǎn)的位置和數(shù)量，使用傳統(tǒng)的測量方法，點(diǎn)的數(shù)量選取有限，而采用三維激光掃描儀器的采樣點(diǎn)速率可達(dá)每秒數(shù)萬點(diǎn)至數(shù)十萬點(diǎn)，是傳統(tǒng)測量方法完全無法比擬的。

3、分辨率和精度較高。三維激光掃描技術(shù)可以快速、精確地獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的[3]。

4、數(shù)字化采集，兼容性比較好。三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是通過儀器直接獲取的數(shù)字信號，方便后期進(jìn)行處理及輸出。其數(shù)據(jù)的后續(xù)處理軟件能夠與其他的常用軟件進(jìn)行共享和數(shù)據(jù)交換，兼容性比較好。

四、三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用

在對老君山南麓礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)測量時(shí)，擬對傳統(tǒng)的測量方式和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行比較。

（一）老君山南麓礦區(qū)的基本情況

老君山南麓是正在開采的曼家寨礦段，礦區(qū)位于滇東南坳褶斷帶，包含在南褶皺系西南緣內(nèi)，老君山起止點(diǎn)為文山與馬關(guān)隆起南部的復(fù)式背斜，該區(qū)域分布大量變質(zhì)巖，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，地底巖漿處于劇烈活動狀態(tài)，廣泛分布著礦物資源，分別為鋅、錫以及鎢等。長期作用下形成區(qū)域性構(gòu)造格局，與此同時(shí)形成多種不同地形，包括縱向斷裂、復(fù)式背斜軸波狀褶曲等。褶曲：例如由南到北方向，銅街至曼家寨之間的背斜為一種典型的寬緩型褶皺，總長度為5千米；銅街～曼家寨背斜為寬緩型褶皺，大致呈南北向，長約5km，軸向?yàn)楸逼珫|5°至北偏東20°度，背斜傾斜方向?yàn)槟?，褶皺軸南部低，北部高。斷層：F0斷層出露于曼家寨礦段東部，走向N5°E～N8°W，傾向西，傾角40°～55°；F1斷層出露于曼家寨礦段中部，走向SN～NNE～NNW，傾向西，傾角15°～30°。

（二）兩種測量方式的比較

由于老君山南麓礦業(yè)表面褶皺和斷層較多的地質(zhì)特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的測量技術(shù)在采點(diǎn)上便存在一定的困難，計(jì)算的精度也較低，而相較傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)則大大提高了露天礦儲量測量的精度，能夠獲得真實(shí)準(zhǔn)確客觀的數(shù)據(jù)。由于老君山南麓礦區(qū)地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用人工測量存在極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，而使用三維激光掃描技術(shù)則很好地解決了這一問題，且節(jié)省了人工和時(shí)間。另外，三維激光掃描技術(shù)還可以提供高清的立體圖像，可以更加直觀地反應(yīng)出了礦區(qū)開采的真實(shí)情況。因此，三維激光掃描技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測量技術(shù)。

總結(jié)：相比較傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在不接觸礦區(qū)的情況下便可以進(jìn)行測量，采點(diǎn)的數(shù)量大幅度提高，因此可以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。由于不需要測量人員親自采點(diǎn)，節(jié)省了人工和時(shí)間，也減少了測量人員的安全隱患。三維激光掃描技術(shù)還可以提供直觀的三維圖像，準(zhǔn)確反映礦區(qū)的現(xiàn)狀?；谌S激光掃描技術(shù)的種種優(yōu)勢，必將在露天礦測量中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉建坡；李軍杰；黃繼永.三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用.科技信息（科學(xué)教研） ，2008（22）：647-648.

[2]劉紅旗；項(xiàng)鑫；李軍杰.三維激光掃描原理及其在露天礦測量中的應(yīng)用.科技資訊，2009（3）：7-8.

[3]張金福.三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用分析.門窗，2014（11）：423-424.

[4]雷朝鋒.基于三維激光掃描技術(shù)在豫北露天礦測量中的應(yīng)用研究.測繪與空間地理信息，2014，37（8）：96-98.