三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用研究

蔣榮新

【摘要】在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的情況下，數(shù)字礦山已被礦產(chǎn)領(lǐng)域所重視。在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的情況下，借助數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在絕大程度上提升了礦山管理工作的綜合效率。且在礦產(chǎn)企業(yè)發(fā)展速度持續(xù)加快的情況下，對于三維信息的需求量正以極快的速度在增加。目前，三維可視化管理已經(jīng)成為數(shù)字礦山中最為核心部分，可充分滿足在實(shí)際測量過程中的多方面需求。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)存在有高采集樣率以及高分辨率等多方面優(yōu)勢，可幫助有關(guān)工作人員得到礦山的各方面空間信息，對于礦產(chǎn)采集以及數(shù)據(jù)分析等方面均存在有極為重要的意義。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)；數(shù)字礦山

礦產(chǎn)企業(yè)屬于我國能源產(chǎn)業(yè)中較為重要組成部分，在科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的情況下，越來越多的信息技術(shù)逐步被運(yùn)用到礦山企業(yè)中。數(shù)字礦山已經(jīng)在該領(lǐng)域內(nèi)得到推行，且在該行業(yè)發(fā)展速度持續(xù)加快的情況下，對于空間三維信息的需求正以極快的速度在增加。在數(shù)字技術(shù)的幫助下，可講礦山各方面情況以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行展現(xiàn)。在以往測量過程中，借助GPS以及全站儀等設(shè)備雖然同樣可達(dá)到對礦山各方面信息進(jìn)行采集的效果，但所得到的均為單點(diǎn)數(shù)據(jù)，無法充分滿足對礦山整體情況的評估需求[1]。而在數(shù)字技術(shù)的作用下，可將礦山各方面情況完全轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。且在三維激光掃描技術(shù)的推行下，進(jìn)一步提升的數(shù)字礦山在實(shí)際檢測過程中的綜合效率，為后續(xù)工作提供了有效理論支持。本文研究就主要對三維激光技術(shù)在數(shù)字礦山中的具體運(yùn)用情況進(jìn)行分析。

1、三維激光掃描技術(shù)的各方面原理以及特點(diǎn)

1.1該技術(shù)基本特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)主要建立在激光測距的基礎(chǔ)上，結(jié)合對物體外表進(jìn)行掃描，可較為完整的對實(shí)物三維數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與獲取，且在采集過程中速度較快，并且存在有極高的準(zhǔn)確度，屬于非接觸式測量，操作較為簡單，同時(shí)可達(dá)到實(shí)時(shí)、動態(tài)測量的效果。該技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)屬于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即囊括有大量的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，信息極為豐富。在檢測過程中所得到的各方面數(shù)據(jù)均屬于掃描目標(biāo)各部位的真實(shí)數(shù)據(jù)，不需要在后續(xù)工作中在實(shí)物表面進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)極為準(zhǔn)確可靠。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到推行，在絕大程度上提升了歷史文物保護(hù)、建筑測量、軍事分析以及自然災(zāi)害評估等方面的工作效率。

1.2該技術(shù)的基本原理

三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際工作過程中需要借助數(shù)碼相機(jī)、激光發(fā)射器以及控制電路板等，在各類設(shè)備的協(xié)同作用下可在極短時(shí)間內(nèi)得到物體的三維空間信息。該技術(shù)充分借助激光測距，在檢測過程中對被檢測物體從豎直方向以及水平方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)記錄測量，可準(zhǔn)確得到物體與掃描儀間的位置關(guān)系。激光發(fā)射器在檢測過程中持續(xù)發(fā)出激光，對被檢測物體按照從上到下、從左到右的順序進(jìn)行掃描測定，且在掃描過程中可將掃描得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄入到儲存硬盤中，隨后借助后續(xù)軟件進(jìn)行處理，即可將數(shù)據(jù)信息在電腦上進(jìn)行展現(xiàn)（所得到的數(shù)據(jù)均為排列規(guī)律的點(diǎn)云數(shù)據(jù)）。

2、三維激光掃描技術(shù)在運(yùn)用過程中的多方面優(yōu)勢

結(jié)合實(shí)際可知，在數(shù)字礦山檢測過程中三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個(gè)層面：

（1）在三維激光技術(shù)的幫助下，可使得礦山實(shí)體情況以完整數(shù)據(jù)的形式反饋到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)，在對應(yīng)軟件處理后即可得到方面工作人員進(jìn)行瀏覽以及分析的數(shù)字信息，便于礦產(chǎn)企業(yè)對礦山各方面情況進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分析與管理。

（2）可得到礦山的數(shù)字模型。結(jié)合三維激光掃描技術(shù)所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過后續(xù)處理后即可得到礦山的數(shù)字模型。通過該模型，對應(yīng)工作人員可對山體各各方面情況進(jìn)行準(zhǔn)確而方便的處理，包括山體體積、各位置間距離以及面積、長度等。

（3）為山體變化情況提供參考依據(jù)。在三維數(shù)據(jù)的支持下，結(jié)合對不同時(shí)間所掃描得到的數(shù)字模型進(jìn)行重疊，可較為直觀且準(zhǔn)確的對礦山變化情況進(jìn)行分析，包括結(jié)構(gòu)變形情況、位移情況等，為后續(xù)礦體開采等提供重要依據(jù)，確保后續(xù)生產(chǎn)的安全性。

（4）在掃描過程中受到的外界干擾較小。在以往攝影測量技術(shù)中，往往限于在白天進(jìn)行測量，無法實(shí)現(xiàn)夜間測量。而在三維激光掃描技術(shù)的作用下，具備有較大的測量領(lǐng)域且測量時(shí)間不受限制。在任何時(shí)間點(diǎn)均可進(jìn)行測量。同時(shí)，在以往攝影測量技術(shù)中受到溫度的影響較大，導(dǎo)致部分測量工作無法正常展開。而在三維激光掃描技術(shù)可連續(xù)進(jìn)行掃描，基本不受溫度的影響[2]。

3、三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用過程中的缺陷

雖然三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中具備有多方面運(yùn)用優(yōu)勢，而結(jié)合實(shí)際可知，其在實(shí)際運(yùn)用過程中依舊存在有一定缺陷，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)層面：

（1）維修以及檢驗(yàn)難度較大。三維激光掃描儀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其檢查與維修工作均需要由專業(yè)人員進(jìn)行。且儀器設(shè)備造價(jià)較高，在一定程度上制約其推廣性。

（2）后期數(shù)據(jù)處理存在由一定難度。結(jié)合實(shí)際可知，在對掃描后得到的云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過程中存在有較大的難度，且數(shù)據(jù)處理所需要的時(shí)間是獲取時(shí)間的10倍以上。且數(shù)據(jù)處理對有關(guān)人員的專業(yè)能力存在有極高的要求。

（3）數(shù)據(jù)處理軟件缺乏完善性。結(jié)合實(shí)際可以發(fā)現(xiàn)，市場上所使用的三維激光掃描儀在生產(chǎn)廠家不同，在后期數(shù)據(jù)處理方式上同樣存在有較大的差異。且不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備在數(shù)據(jù)處理上互不相容。

4、三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的具體運(yùn)用情況

結(jié)合實(shí)際運(yùn)用情況可知，三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中存在有多方面運(yùn)用，在絕大程度上提升了礦山開采等方面工作的綜合效率，并為礦山采集工作提供了重要安全指導(dǎo)。具體來講，三維激光掃描技術(shù)在運(yùn)用主要表現(xiàn)在以下層面：

（1）對礦區(qū)進(jìn)行立體化管理。結(jié)合三維激光掃描技術(shù)可針對礦區(qū)地表各方面各個(gè)位置連同有關(guān)設(shè)施進(jìn)行立體化管理。結(jié)合掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可完成對礦體區(qū)域的三維立體設(shè)計(jì)。并在特定三維軟件處理后將礦體各個(gè)位置的三維模型屬性特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)掛接，對應(yīng)管理部門以及工作人員則可以在模型的幫助下，對各個(gè)區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確有效管理。此外，更可以建立有關(guān)索引目錄，管理人員通過索引目錄可較為迅速找到自身所需要的信息。另一方面，在該技術(shù)的幫助下可促使礦區(qū)地下巷道實(shí)現(xiàn)可視化。通過三維激光掃描技術(shù)能夠較為詳細(xì)的對巷道中各方面特點(diǎn)詳細(xì)進(jìn)行了解，甚至對于細(xì)小的紋理同樣科較為清晰顯示。在巷道三維模型的幫助下，能夠較為直觀的對地下各方面情況進(jìn)行顯現(xiàn)，及時(shí)掌控地下工作展開情況，實(shí)現(xiàn)地下礦區(qū)的透明化。同時(shí)，借助三維激光掃描技術(shù)科對巷道中有關(guān)設(shè)備以及有關(guān)設(shè)施模型進(jìn)行建立，并可以在對應(yīng)模型中完成對數(shù)據(jù)通訊的建立，便于后期對設(shè)備信息的查看。通過在模型中安設(shè)對應(yīng)安全監(jiān)測設(shè)備，一旦監(jiān)測信息出現(xiàn)異常情況，即可以下模型中進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)三維可視化安全監(jiān)測的目的。此外，在數(shù)據(jù)模型的幫助下，對管理人員進(jìn)行管理與培訓(xùn)，能夠進(jìn)一步提升培訓(xùn)工作效率，幫助管理人員管理能力得到有效提升[3]。

（2）實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)Web點(diǎn)云的測算以及瀏覽。結(jié)合三維激光掃描技術(shù)所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合對應(yīng)數(shù)碼相機(jī)展開礦山紋理的采集，在對應(yīng)處理軟件的幫助下，可生成礦區(qū)Web點(diǎn)云。在計(jì)算機(jī)的輔助下，結(jié)合IE瀏覽器將對應(yīng)數(shù)據(jù)打開，即可將礦山的各方面情況以網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三維顯現(xiàn)。在Web的幫助下，不單單能夠得到礦山的實(shí)際坐標(biāo)信息，更可實(shí)現(xiàn)對礦山實(shí)景顏色進(jìn)行顯現(xiàn)。

（3）便于對開挖量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與核算。針對部分露天開采的礦區(qū)，在三維激光掃描技術(shù)的幫助下，以規(guī)定時(shí)間間隔對礦區(qū)進(jìn)行掃描，并建立對應(yīng)數(shù)據(jù)模型。通過將各個(gè)時(shí)間點(diǎn)得到的三維模型進(jìn)行重疊則可以較為直觀的對礦區(qū)開挖情況進(jìn)行顯示。便于對開挖方案以及開挖風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行評估，促使礦區(qū)生產(chǎn)更加科學(xué)化。

（4）實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)域的數(shù)字化管理。結(jié)合實(shí)際可以發(fā)現(xiàn)，地下開挖過程中所形成的空采挖區(qū)，在一定程度上影響著礦山的發(fā)展，更會對設(shè)備以及開挖人員的安全造成一定威脅，在一定程度上阻礙著礦區(qū)的正常經(jīng)營。采用何種方式對采空區(qū)域進(jìn)行管理，測定其面積大小以及邊界情況，進(jìn)而對有關(guān)處理方案進(jìn)行制定，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)安全的有效保障。三維激光掃描技術(shù)通過非接觸式測量，可對礦山采空區(qū)域各方面情況進(jìn)行綜合監(jiān)測，包括采空區(qū)域分布情況以及貫通關(guān)系等。同時(shí)，在對應(yīng)軟件的處理下，可得到采空區(qū)的數(shù)字實(shí)體模型，明確采空區(qū)域的體積大小，頂板面積情況，為風(fēng)險(xiǎn)評估提供有效保障。在該技術(shù)的幫助下，可對采空區(qū)域進(jìn)行有效管理，避免出現(xiàn)安全事故，為礦區(qū)生產(chǎn)的安全提供充足保障。

（5）實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)以及礦井中各個(gè)設(shè)備沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。沉降監(jiān)測屬于礦區(qū)日常監(jiān)測工作中較為重要部分，且保障礦區(qū)生產(chǎn)安全方面存在有極為重要的作用。而傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在實(shí)際監(jiān)測過程中存在有較大的局限性且誤差較大。無法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備沉降情況進(jìn)行準(zhǔn)確顯示的效果。而在三維激光掃描技術(shù)的幫助下，以天為單位對礦區(qū)設(shè)備位置情況進(jìn)行測定，通過后期對比可較為直觀的觀察出礦區(qū)設(shè)備沉降情況。

（6）簡化對沉陷區(qū)的監(jiān)測。對沉陷區(qū)進(jìn)行監(jiān)測同樣屬于礦區(qū)日常監(jiān)測工作中較為重要部分。地下礦山開采，在多方面因素的共同作用下，很容易出現(xiàn)沉陷等情況。而在三維激光掃描儀的作用下，可對沉陷區(qū)三維模型進(jìn)行建立。在點(diǎn)云模型的作用下，可對沉陷區(qū)進(jìn)行動態(tài)觀察。

總結(jié)：

數(shù)字礦山為目前礦產(chǎn)行業(yè)較為新型的發(fā)展模式，近幾年三維激光掃描技術(shù)更是得到極快的發(fā)展與推廣。在該技術(shù)的幫助下，突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測量模式的局限性，使得測量過程更加高效與準(zhǔn)確。在數(shù)字模型的幫助下，礦區(qū)管理人員可以較為直觀的對礦區(qū)各方面情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測定。同時(shí)，在該技術(shù)的幫助下，更為礦區(qū)生產(chǎn)的安全性奠定了有效基礎(chǔ)。結(jié)合實(shí)際可知，雖然三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山運(yùn)用過程中存在有多方面優(yōu)勢，該技術(shù)尚處于持續(xù)推廣過程中，在實(shí)際運(yùn)用上還存在有部分缺陷，還需要在運(yùn)用過程中不斷進(jìn)行完善。

參考文獻(xiàn)：

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