三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應(yīng)用

（中國黃金集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021400）

由于露天礦山生產(chǎn)比較特殊，其測量工作也有著一定的特點(diǎn)，在科技快速發(fā)展過程中，測繪方法也越來越先進(jìn)，露天礦的隨時(shí)采挖與采挖后土石填補(bǔ)，均需要第一時(shí)間進(jìn)行測量，但是對常規(guī)儀器來說，精度與效率已經(jīng)難以滿足現(xiàn)階段礦山測繪工作的要求。三維激光掃描儀是一種快速立體測量設(shè)備，能夠保證空間形態(tài)測量的精確性，從而生成采區(qū)三維數(shù)字模型[1]。由于三維激光掃描儀測量速度快、精度高，并具備非接觸與操作簡單等特點(diǎn)，在露天礦山測量中應(yīng)用日益廣泛。

1 露天礦測量的主要任務(wù)

露天礦測量的主要任務(wù)是礦山儲量地質(zhì)測量。礦山儲量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。礦山儲量的核心工作是礦體的測算精度問題和歷年相關(guān)儲量數(shù)據(jù)的一致性，連續(xù)性問題。

露天礦山地質(zhì)測量的主要工作內(nèi)容有：建立礦區(qū)基礎(chǔ)控制網(wǎng)和礦山的基礎(chǔ)技術(shù)檔案；對開采區(qū)域按嵌《規(guī)范》[1]要求進(jìn)行地質(zhì)測量，計(jì)算開采區(qū)域(界內(nèi)、界外)的礦體體積；地質(zhì)測量的成果質(zhì)量檢驗(yàn)；儲量計(jì)算和礦區(qū)圖件制作；編制年報(bào)。

2 三維激光掃描儀的基本原理

三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成部分包括電源供應(yīng)系統(tǒng)、控制器和掃描儀，通過對CCD與儀器內(nèi)部控制等系統(tǒng)的集成，發(fā)揮出激光測距與激光掃描等功能。儀器中利用2個(gè)同步反射鏡進(jìn)行快速、有序的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖依次掃描過被測區(qū)域，測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間（或相位差）來計(jì)算，并對控制模塊控制與測量每個(gè)脈沖激光角度進(jìn)行掃描，將被測物體上激光點(diǎn)的三維計(jì)算出來。

3 三維激光掃描儀在露天礦山測量中的具體應(yīng)用

本文以某露天礦山為例，該露天礦山分為南北兩個(gè)礦段。目前，南礦段東西長約0.7Km，南北寬約0.6Km；北礦段東西與南北寬分別為2.2Km與1.9Km，且北礦段呈馬蹄型。

測量流程：在本礦山測量中，采用的儀器有2500米左右的最大有效掃描距離，2.5m的最小掃描距離，最遠(yuǎn)距離內(nèi)斜距測量精度為10mm左右，平均測量精度為5mm，掃描儀垂直與水平掃描范圍分別為0°～80°和0°～360°；為了能夠有效對比傳統(tǒng)測量方式，同時(shí)借助于GPS-RTK技術(shù)來測量部分特征點(diǎn)，然后對兩種測量結(jié)果進(jìn)行對比。測量方案的制定，需要將測區(qū)實(shí)際踏勘情況給充分納入考慮范圍，對控制點(diǎn)合理選擇，以便科學(xué)架設(shè)三維激光掃描儀，對各個(gè)測站的測量面合理劃分；然后結(jié)合測量方案來采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對儀器的水平、垂直方向掃描的分辨率合理設(shè)置，在采集數(shù)據(jù)的過程中，需要避免掃描儀被人員或者其他物體所遮擋[2]。

圖1 DEM圖

數(shù)據(jù)處理：在處理軟件中導(dǎo)入野外作業(yè)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化坐標(biāo)系統(tǒng)，配準(zhǔn)多測點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便對測區(qū)三維數(shù)據(jù)完整的獲取，以便促使有等高線圖、DEM圖等生成（如圖1）。對比RTK技術(shù)測量結(jié)果與三維激光掃描所測結(jié)果：在測量人員方面，RTK與三維激光掃描技術(shù)分別需要6人和2人；測量時(shí)間方面分別需要20小時(shí)和6小時(shí)；三維模型精度方面分別為不合格與良，采樣點(diǎn)分布分別為不均與和均勻。通過對比發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)，三維激光掃描測量的操作難度較小，工作量得到了減輕，并且能夠均勻分布采樣點(diǎn)，不需要花費(fèi)較長的測量時(shí)間，三維地形測量的精度要求也能夠有效滿足，具有一系列的優(yōu)勢。

4 三維激光掃描儀在露天礦山測量中應(yīng)用體會

（1）測量速度快。在天氣與地質(zhì)等因素影響下，露天礦山現(xiàn)場容易出現(xiàn)巖石崩塌現(xiàn)象，只有減少現(xiàn)場測量時(shí)間，才能保證儀器與測量人員的安全。三維激光掃描儀測量速度是8800點(diǎn)/秒，為同類掃描儀中采點(diǎn)速度較快的一款儀器，能夠有效減少現(xiàn)場測量時(shí)間，同時(shí)獲得完整、準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

（2）全視場角 360°×270°。山體現(xiàn)場狀況極為復(fù)雜，適合測量儀器架設(shè)的位置不多，需要注重穩(wěn)固與安全，便于測量人員順利到達(dá)。因此，增大測量設(shè)備的視場角，可以避免對測量人員設(shè)站帶來限制，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)內(nèi)容收集的完整性。尤其是山體測繪中非常重要，對其他掃描產(chǎn)品來說，一般僅可以測量約40°的視場角的對象，在陡峭巖體處，需要多次移動(dòng)設(shè)備與測量。三維掃描儀則能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)360°×270°的全景測量，同時(shí)在儀器工作過程中可以測量到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（3）測量精度高。提升測量的精度，能夠保證后續(xù)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對三維激光掃描儀來說，其測量精度表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一是儀器標(biāo)稱的精度，二是結(jié)果點(diǎn)云的質(zhì)量。通過提升測量的精度與點(diǎn)云的質(zhì)量，可以讓后的處理得到準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，讓后處理順利進(jìn)行。使用三維激光掃描儀以后，可以得到均勻、細(xì)密的點(diǎn)云，噪點(diǎn)不多，讓后續(xù)處理有良好的原始數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（4）惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程中，工作現(xiàn)場海拔高，現(xiàn)場環(huán)境污染比較嚴(yán)重，而在如此惡劣環(huán)境內(nèi)應(yīng)用三維激光掃描儀，順利完成了所有任務(wù)[3]。

（5）非接觸測量，保障了安全。進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的時(shí)候，大多數(shù)區(qū)域極為危險(xiǎn)，為防止震動(dòng)造成山石崩落，提高測量人員安全，一些測量不能靠近進(jìn)行，這凸顯了非接觸測量的重要性。三維激光掃描儀利用非接觸的激光掃描，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲獲得的數(shù)據(jù)，測量人員離開現(xiàn)場以后可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)開展量測與結(jié)果處理。

5 結(jié)語

綜上所述，在露天礦山測量工作中應(yīng)用三維激光掃描儀，具有一系列的優(yōu)勢，更加的快捷、方便和精確，避免人為篡改數(shù)據(jù)，得到更加客觀真實(shí)的儲量數(shù)據(jù)。借助于形象直觀的可視化數(shù)據(jù)分析模型，管理人員能夠清楚的了解礦山狀態(tài)與開采過程，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)管礦山儲量。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)露天礦山測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)效果更加明顯，能夠?yàn)榈V山提供安全、可靠、準(zhǔn)確的信息，是現(xiàn)階段露天礦山測量中最經(jīng)濟(jì)、最有效、最安全的技術(shù)方式，應(yīng)廣泛推廣應(yīng)用于露天礦山測量中，從而有效保障礦山作業(yè)的安全。在未來的發(fā)展中，3D激光掃描技術(shù)將會更加廣泛的應(yīng)用到露天礦測量中，相關(guān)的工作人員需要積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷完善和創(chuàng)新，提升露天礦測量質(zhì)量與效率。

[1]鐘濤.基于三維激光掃描測量技術(shù)的露天礦山變形監(jiān)測研究[J].科技與創(chuàng)新，2015（15）：141—141.

[2]范正岳，徐茂文.基于三維激光掃描的露天礦山儲量測量研究[J].礦山測量，2014（4）：10—11.

[3]楊華祥，張坤梅.三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用[J].環(huán)球人文地理，2016（20）：147.