三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量中的應(yīng)用

顧傳勝

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230000）

改革開放后的三十年，國內(nèi)的采礦業(yè)得到了快速發(fā)展。對(duì)于開采完畢的尾礦庫改造過程中會(huì)遇到不少問題，就尾礦庫自身而言，經(jīng)過大力開采活動(dòng)后尾礦庫地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，其次因外部因素的影響，包括降雨、地震、刮風(fēng)、過度開采等，都將導(dǎo)致尾礦庫地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)構(gòu)造有著不同程度的損壞，由于過快的采礦業(yè)發(fā)展速度和不合理的開采活動(dòng)，已開采完畢的尾礦庫地質(zhì)環(huán)境面臨著污染嚴(yán)重和破壞嚴(yán)重的巨大壓力，所以對(duì)尾礦庫改造是十分必要的[1]。

地質(zhì)測(cè)量是尾礦庫改造過程中重要的工作內(nèi)容，其測(cè)量精度和效率將直接影響到尾礦庫改造質(zhì)量，傳統(tǒng)方法主要是憑借以往的經(jīng)驗(yàn)來推測(cè)出尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量結(jié)果，這種方法不僅測(cè)量效率較低，更主要的是測(cè)量結(jié)果具有一定的主觀性，所以傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量需求，為此提出三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量中的應(yīng)用。

三維激光掃描技術(shù)作為一門新興的地質(zhì)測(cè)量技術(shù)，為尾礦庫空間三維數(shù)據(jù)的收集提供了一個(gè)全新的技術(shù)手段，由于該技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)、快速的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量的重要技術(shù)之一[2]。

從二十世紀(jì)九十年代第一臺(tái)地面三維激光掃描儀被研制成功并投入使用，在四十年不到的光景里，三維激光掃描技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到各種測(cè)量領(lǐng)域中，并在國內(nèi)外取得了良好的應(yīng)用成果，此次將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到尾礦庫改造測(cè)量中，形成一種新的測(cè)量方法，為尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量提供重要的參考依據(jù)。

1 基于三維激光掃描技術(shù)的尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量方法

1.1 尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)數(shù)據(jù)采集作為尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量過程中基礎(chǔ)工作，收集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果具有直接影響，為了保證數(shù)據(jù)采集精度，此次采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，三維激光掃描技術(shù)對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集所使用的主要儀器設(shè)備有全站儀和精密水準(zhǔn)儀，下表為三維激光掃描技術(shù)指標(biāo)。

表1 三維激光掃描技術(shù)指標(biāo)

在對(duì)尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之前，需要根據(jù)尾礦庫現(xiàn)場測(cè)量環(huán)境以及測(cè)量需求確定出穩(wěn)定、平坦、合適的位置建立三維激光掃描觀測(cè)站，利用精密水準(zhǔn)儀和全站儀對(duì)三維激光掃描觀測(cè)站地理位置進(jìn)行測(cè)算，此外還要根據(jù)待掃描測(cè)量的尾礦庫的面積大小，地理位置以及環(huán)境影響因素合理確定出三維激光掃描觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量。

鑒于通常需要改造的尾礦庫范圍比較大，為了控制三維激光掃描技術(shù)精度，不僅要在尾礦庫中心內(nèi)部布置三維激光掃描觀測(cè)站，還要在尾礦庫四周均勻設(shè)置觀測(cè)站，但是觀測(cè)站拼接后發(fā)現(xiàn)尾礦庫的地勢(shì)最高處會(huì)出現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)空缺，這主要是由于通常尾礦庫整體地質(zhì)并不是平坦的，而是有一定的坡度，而精密水準(zhǔn)儀和全站儀是架設(shè)在尾礦庫的一端，地勢(shì)較低，所以在對(duì)尾礦庫進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量時(shí)，激光到達(dá)尾礦庫地面的入射角過小，反射回來的地質(zhì)脈沖信號(hào)比較弱，尾礦庫地質(zhì)比較高的地質(zhì)數(shù)據(jù)越來越少，尤其到尾礦庫最高處光線被遮擋住，導(dǎo)致獲取到的地質(zhì)數(shù)據(jù)不夠全面，為了解決該問題，還需在尾礦庫中心地質(zhì)最高位置設(shè)置一處觀測(cè)站，起到連接作用，使整個(gè)尾礦庫地表都有數(shù)據(jù)覆蓋。

三維激光掃描技術(shù)具體數(shù)據(jù)采集過程如下：①將精密水準(zhǔn)儀和全站儀假設(shè)到預(yù)選設(shè)定好的觀測(cè)點(diǎn)處，連接電源與網(wǎng)線，當(dāng)掃描儀器上的指示燈由綠色變成紅色時(shí)就可以對(duì)尾礦庫進(jìn)行激光掃描[3]。②將掃描儀器連接網(wǎng)絡(luò)，打開HJclone軟件和掃描窗口，在計(jì)算機(jī)中設(shè)置IP地址，將掃描儀器與IP地址連接，點(diǎn)擊HJclone軟件主菜單，將掃描儀器與控制軟件連接進(jìn)行掃描操作。③在HJclone軟件內(nèi)根據(jù)尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量要求，設(shè)置三維激光掃描測(cè)站編號(hào)、掃描高度、掃描密度以及掃描距離[4]。④根據(jù)精密水準(zhǔn)儀與全站儀的相對(duì)位置，在軟件控制界面選取掃描區(qū)域進(jìn)行拍照與激光掃描，掃描后得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到統(tǒng)一文件中，以此完成尾礦庫地質(zhì)改造數(shù)據(jù)采集。

1.2 尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)尾礦庫掃描時(shí)，由于天氣、光線、遮擋物、地表植被等外界因素的影響，導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)不夠全面，并且采集的數(shù)據(jù)不全是關(guān)于尾礦庫的數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化壓縮處理，刪除無效數(shù)據(jù)與無關(guān)數(shù)據(jù)，將所要研究的尾礦庫數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉，為了避免在數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤刪現(xiàn)象，對(duì)數(shù)據(jù)處理過程需要分批次進(jìn)行，并且每次處理過后的數(shù)據(jù)要進(jìn)行備份。然后對(duì)刪減后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，拼接處理就是將尾礦庫所有觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，將其形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，以此完成對(duì)尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)處理。

1.3 尾礦庫改造地質(zhì)分析

雖然經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后會(huì)得到精簡后的尾礦庫改造地質(zhì)數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)整體基數(shù)還是比較大，如果直接對(duì)其進(jìn)行分析，具有一定的分析難度，所以此次利用三維地質(zhì)模型對(duì)尾礦庫改造地質(zhì)進(jìn)行分析[6]。

三維地質(zhì)模型是由空間離散的密集點(diǎn)構(gòu)成，將處理后的數(shù)據(jù)輸入到三維地質(zhì)模型中，每個(gè)地質(zhì)數(shù)據(jù)都能與模型上的密集點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，然后通過模型固有的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，表達(dá)出尾礦庫改造實(shí)際結(jié)構(gòu)形態(tài)的拓?fù)潢P(guān)系，通過三維地質(zhì)模型分析出尾礦庫改造地質(zhì)特征，以此實(shí)現(xiàn)了基于三維激光掃描技術(shù)的尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以某尾礦庫為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該尾礦庫整體面積為12665m2，年受尾量為150萬噸，總庫容達(dá)到1564萬m3，其中有效庫容為1469萬m3，最終壩體標(biāo)高175m，屬于三等尾礦庫，該尾礦庫采用的是下游式筑壩，為凹谷型尾礦庫，由于該尾礦庫內(nèi)部出現(xiàn)局部坍塌，急需對(duì)其進(jìn)行改造。實(shí)驗(yàn)利用此次提出測(cè)量方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量，對(duì)比兩種方法的測(cè)量偏差，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，d為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)到尾礦庫中心的距離；s為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)到尾礦庫邊緣之間的最短距離；λ為測(cè)量站點(diǎn)數(shù)據(jù)。利用上述公式計(jì)算兩種方法的測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表2 兩種方法測(cè)量誤差對(duì)比（m）

從上表可以看出，此次提出方法在測(cè)量誤差方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且低于標(biāo)準(zhǔn)誤差，證明此次提出方法可以滿足尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量精度要求。

3 結(jié)語

此次將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量中，形成一種新的測(cè)量方法，且該方法具有較高的測(cè)量精度和測(cè)量效率，對(duì)尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量具有良好的應(yīng)用價(jià)值，由于此次研究時(shí)間有限，對(duì)于三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量中的應(yīng)用研究尚淺，今后還需要在該方面進(jìn)行深入研究，推廣三維激光掃描技術(shù)在尾礦庫改造地質(zhì)測(cè)量中應(yīng)用。