基于3D激光掃描的金屬礦測量方法研究

高永峰

（西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850212）

1 金屬礦礦山開采和工程測量技術(shù)的應(yīng)用

1.1 工程測量技術(shù)

現(xiàn)階段，在礦山測量中，為提高測量的應(yīng)用效果，必須根據(jù)測量技術(shù)應(yīng)用要求改變測量技術(shù)模式，合理調(diào)整技術(shù)應(yīng)用體系，使測量技術(shù)能為礦山開采提供可靠的指導(dǎo)，同時也是為促進(jìn)礦山測量技術(shù)的發(fā)展，使技術(shù)可以滿足工業(yè)發(fā)展要求的標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)長期經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。

1.2 金屬礦山開采

金屬礦山開采中，為更好地了解金屬礦山開采的質(zhì)量和效果，需要按照金屬類別和具體技術(shù)要求進(jìn)行開采。而前期條件時必須詳細(xì)了解礦山現(xiàn)場實際情況，有針對性地選擇合適的測量技術(shù)，才能為采礦人員及時提供準(zhǔn)確全面的開采信息，能夠準(zhǔn)確地了解開采的未來發(fā)展趨勢。

1.3 在金屬礦山測量中工程測量技術(shù)的應(yīng)用

1.3.1 應(yīng)用對策

一般而言，為更好地展示開采和技術(shù)應(yīng)用的質(zhì)量，需對技術(shù)中地質(zhì)、礦體情況與礦石分布等模塊進(jìn)行建模，即采用三維建模分析法，通過三維建模應(yīng)用來實現(xiàn)對整個金屬礦山測量的技術(shù)應(yīng)用分析，能為金屬礦山的開采提供切實有效的保障，提高金屬礦山測量技術(shù)的應(yīng)用水平和效果[2]。

1.3.2 開采精密探索

在現(xiàn)階段的金屬礦山開采技術(shù)應(yīng)用中，為更好地展示技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量，必須明確精密開采技術(shù)的應(yīng)用方式，并處理好精密技術(shù)應(yīng)用在金屬礦山測量中的實踐效果，為金屬礦山的開采提供可靠參考。比如在金屬礦山開采技術(shù)應(yīng)用中，根據(jù)開采技術(shù)的應(yīng)用要求對精密開采方式的應(yīng)用進(jìn)行合理調(diào)整，保證測量技術(shù)能實現(xiàn)金屬礦山工程測量和開采對精密度的要求。

2 3D激光掃描技術(shù)概述

2.1 3D激光掃描技術(shù)的含義

3D激光掃描技術(shù)指的是通過三維幾何模型的構(gòu)建，結(jié)合精密的三維測量儀器，伸入到采礦區(qū)域進(jìn)行探測，主要可以進(jìn)行礦井和儲藏量的測量、體積的測量以及運輸路線的分析、穩(wěn)定性檢測、地下開發(fā)測量和地質(zhì)圖繪制等。通過三維數(shù)據(jù)掃描可以獲得精確的采礦區(qū)的空間結(jié)合數(shù)據(jù)，比如長度、面積、體積等信息。

2.2 3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的勘探開采技術(shù)相比較，3D激光掃描技術(shù)的技術(shù)含量更高，同時具有實時動態(tài)、無接觸、精確高效和數(shù)字化的特征，考慮到金屬礦消耗數(shù)量與種類在不斷增加，加上該類礦往往隱藏在地面深處，開采難度較大，為此采用該技術(shù)能有效提高礦山勘探開采作業(yè)的效率與質(zhì)量。具體優(yōu)勢總結(jié)如下。

對于大多數(shù)金屬礦山，所在區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，而且因為隱藏較深，其中不乏縫隙、溶洞等不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此在對于金屬礦山的探勘開采中會遇到很大的難題，存在的安全隱患較大。為保證勘探開采測量的安全性，采用3D激光掃描技術(shù)能在空間作業(yè)的基礎(chǔ)上開展測量工作，采用精密探測儀器測量到采礦區(qū)的空間形狀形態(tài)等，還能實現(xiàn)對這些采集信息的數(shù)字化和集成化，并結(jié)合成像技術(shù)展現(xiàn)出來，能為金屬礦科學(xué)合理的開采以及安全管理提供有效依據(jù)[3]。

2.2.2 解決空間復(fù)雜和構(gòu)造復(fù)雜的問題

金屬礦區(qū)開采受到本身自然環(huán)境和開采作業(yè)活動的影響，在地表存在大量設(shè)備、原料、礦石和廢渣等，采用傳統(tǒng)的地面勘探測量手段無法保證工程順利開展，甚至?xí)绊憸y量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用以人工為主導(dǎo)的勘探手段也不能有效應(yīng)對復(fù)雜的地下巷道測量，尤其對于一些已經(jīng)被廢棄的或者正在開發(fā)的巷道，在一個復(fù)雜的破碎的體系中難以實現(xiàn)全面有效的測量。此外，對于復(fù)雜的構(gòu)造，常常以變量形式存在，空間數(shù)據(jù)以動態(tài)形式存在，因此對于數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測難度就更大。而通過3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，有一方面可以解決空間復(fù)雜的問題，另一方面可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的動態(tài)監(jiān)測、收集和管理，這些都是傳統(tǒng)測量技術(shù)和人工處理無法達(dá)到的。

2.2.3 解決了分辨率的問題

采用傳統(tǒng)測量方式，對于搜集到的數(shù)據(jù)最終制成的是二維平面圖，無法完全地展示出空間測量的情況，誤差較大。而采用激光掃描技術(shù)，具有數(shù)字化、自動化和動態(tài)化的特點，因此可實現(xiàn)對井下被測對象空間位置信息的測量，數(shù)據(jù)更加全面和準(zhǔn)確，而且通過三維建模能夠更加形象直觀地觀測到礦山巷道信息和地質(zhì)環(huán)境的信息[4]。

3 3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理如下：采用快速準(zhǔn)確的激光測距儀，以及可導(dǎo)引激光以等速度掃描的反光棱鏡和高清晰度高分辨的攝像機(jī)，其中激光測距儀使用的是脈沖式測量方式，不僅可以主動發(fā)射激光，而且能接受來自自然物體反射信號進(jìn)行測量，對于每一個掃描電都能測量得到測站到掃描點的斜距和豎直角、水平角，然后可以求出測站點和掃描點之間的坐標(biāo)差，若定向點與測站點坐標(biāo)已知，則可以求得每一個掃描點的三維坐標(biāo)。

4 3D激光掃描技術(shù)在金屬礦山測量中的應(yīng)用

4.1 掃描方案設(shè)計與數(shù)據(jù)的獲取

考慮到金屬礦山礦產(chǎn)資源的顏色大多數(shù)是深色，尤其是露天礦山資源大部分是黑色，所以對于激光的反射率很低，最大的測距也只有400m左右，為保證測量結(jié)果的全面準(zhǔn)確，就需要設(shè)置多個測量站點、準(zhǔn)備多臺測量儀器。經(jīng)過多年的實踐總結(jié)和具體工程考察，得出應(yīng)在視野比較開闊的幾個地方分別設(shè)置觀測點、架設(shè)測量儀器然后進(jìn)行激光掃描。每一個觀測點都應(yīng)該分別使用近距離標(biāo)準(zhǔn)測量與遠(yuǎn)距離精密測量兩種，且在標(biāo)準(zhǔn)模式的要求下是一周用時4min，在精密測量模式下一周也只需要用時12min～13min，和全站儀測量相比，采用激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量的時效至少提高了200倍。

4.2 數(shù)據(jù)處理和模型建立

根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)對經(jīng)過三維激光掃描測量收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理，經(jīng)過一系列的計算和曲線變化圖繪制后，可得到正確的結(jié)論，該結(jié)論可為實際的金屬礦山開采提供依據(jù)。在實際礦山測量時需了解礦石的物理性質(zhì)，因此需分類進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和總結(jié)討論，可滿足不同金屬種類的開采需要。以下對具體數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)模型的建立進(jìn)行簡單介紹。

對于權(quán)重矩陣Q、R、S的選取，根據(jù)前文對系統(tǒng)動勢能、消耗電能以及系統(tǒng)狀態(tài)量x和α偏差函數(shù)的建立，易求得：

4.2.1 平滑掃描數(shù)據(jù)

平滑掃描數(shù)據(jù)指的是使觀測點和觀測點之間的距離變得均勻，從而縮小測量的誤差。包括連續(xù)表面平滑與不連續(xù)表面平滑兩種，其中前者指的是所有的觀測點都應(yīng)該在其上面的平面，后者指的是在在較遠(yuǎn)的距離上有前景數(shù)據(jù)與對象。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，要求對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的了解，對于樹木、燈柱這些自然景觀更適合用于不連續(xù)的平滑掃描，而對于墻壁等建筑構(gòu)筑物則適合采用連續(xù)的平滑掃描。

4.2.2 過濾數(shù)據(jù)

過濾數(shù)據(jù)的設(shè)置應(yīng)采用孤點過濾，一般選擇2m作為過濾點之間的間隔，這一點需要在菜單欄中提示。如果在一個點的方圓2m范圍內(nèi)沒有其他的觀測點則該點也會被過濾掉。然后開展最小間隔的過濾，也就是要考慮金屬礦勘探測量對精確度的要求，至少連個點的距離在20cm左右，所以在進(jìn)行模型建立時，對于過濾數(shù)據(jù)的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)實際情況以及測量的需要合理選擇和操作。在選擇好以后對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改完善，刪除無用的點并再次進(jìn)行孤點過濾形成完整的點陣圖。

4.2.3 平面三角化點云

在三角化過程中，必須確定的是三角網(wǎng)的最小角與最大邊，為控制TTN的精確度與結(jié)構(gòu)，在表面模型構(gòu)建時包括球面三角化與平面三角化，其中前者主要應(yīng)用在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單個掃描數(shù)據(jù)中，后者是在橫縱軸二維坐標(biāo)平面中設(shè)置三角網(wǎng)，建立激光掃描點的二維三角網(wǎng)，為三維激光掃描測量奠定基礎(chǔ)。對于多站點激光掃描而言，還需要做好坐標(biāo)的匹配登記和糾正，然后才能建立起包含多個觀測點的三維模型。

4.3 坐標(biāo)匹配和坐標(biāo)糾正

若激光掃描測試不在已知點上進(jìn)行，因此被掃描的掃描點云圖坐標(biāo)系為任意，不可直接利用該坐標(biāo)系進(jìn)行露天煤礦測區(qū)的模型建立，需要先進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)匹配和登記，才能使多幅點云圖歸入到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，然后在坐標(biāo)糾正以后才可進(jìn)行模型建立階段。糾正坐標(biāo)的正確操作是，將點云納入到地面測量坐標(biāo)系統(tǒng)中，然后在掃描區(qū)附近或掃描區(qū)中的控制點設(shè)置標(biāo)靶，使與控制點符合就能將相鄰掃描點云圖統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系中，這樣全方位的坐標(biāo)糾正可避免坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)轉(zhuǎn)換誤差的不斷積累。此外，球形標(biāo)靶指的是使用反射率較高的材料制成的圓球?qū)⑵浞旁诳刂泣c上，采用礦山測量的方式獲得球心，要求測量時每一個激光掃描測站必須掃描2個及其以上標(biāo)靶球，在標(biāo)靶球掃描坐標(biāo)計算以后再根據(jù)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行坐標(biāo)糾正。

4.4 挖礦體積測量和開采量計算的應(yīng)用

對礦體體積量進(jìn)行測量計算，所測量的挖礦體積實質(zhì)就是本月和上個月礦體表面所圍成的體積。為方便計算開采量，對所有平面進(jìn)行修剪并保證每一次測量是對所有觀測點的激光掃描測量，然后綜合兩種技術(shù)方法形成總點云，在坐標(biāo)糾正后再進(jìn)行修剪，或者在修剪后再進(jìn)行坐標(biāo)糾正都可以。每一個建立的模型都能計算出挖礦體積，該體積包括了多次激光掃描結(jié)果計算出的挖方量與體積，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就能計算出相應(yīng)的每月生產(chǎn)量，若與設(shè)計目標(biāo)接近，或每一個月的生產(chǎn)量都接近，則表面該礦山的開采是穩(wěn)定的，也能通過這些數(shù)據(jù)對實際開采活動進(jìn)行調(diào)整，能有效減少安全隱患的出現(xiàn)，保證礦山開采的安全和有序。

4.5 巷道3D模擬

在井下巷道測量工作中，也可使用3D激光掃描儀器進(jìn)行井下巷道三維建模并模擬井下作業(yè)的真實情況，可自由設(shè)置測站點也可倒立或傾斜設(shè)置。在開展地下巷道測量工作時可在每一個巷道交叉口設(shè)置測站點，只需輸入后視點與測站坐標(biāo)，利用計算機(jī)軟件輸入測量得到的數(shù)據(jù)，然后開展數(shù)據(jù)平滑掃描、孤點過濾和最小間隔過濾等一系列操作后，可采用手工方式糾正坐標(biāo)。由于在坐標(biāo)測量時已經(jīng)輸入了礦山坐標(biāo)系的控制點坐標(biāo)，為此在進(jìn)行坐標(biāo)匹配時可直接通過高精確度的高程圖根控制就能得到，并在不同時間段分別測量，最后取沒有異常情況下的平均值，當(dāng)無法固定時間段，則測量得到的數(shù)值可能會出現(xiàn)偏差，在該段時間內(nèi)則不能進(jìn)行圖根控制測量。對于碎部點的測量要求較低，在初始后觀測10再觀測一次即可滿足測量精確度的要求。通過井下巷道三維模型的建立，可查詢獲得巷道的等高線模型、表面積和容積等指標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，分析了將該技術(shù)應(yīng)用到金屬礦山測量中的具體步驟和取得的效果，認(rèn)為該技術(shù)不但可以獲得準(zhǔn)確全面的三維數(shù)據(jù)信息，而且還能對計算挖方的量，為金屬礦山的勘探開采提供更好的服務(wù)?，F(xiàn)階段，該技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)礦山開采中的核心技術(shù)，并朝著更加精確化的方向發(fā)展，為礦山的開采奠定良好的技術(shù)條件。此外，該技術(shù)的適用性較好，對于地下巷道以及其他復(fù)雜的、破碎的、雜亂的結(jié)構(gòu)，都能采用精密的測量儀器獲得詳細(xì)準(zhǔn)確的三維信息。但該技術(shù)在實際應(yīng)用時還會受到一些現(xiàn)實條件的約束，比如操作人員的技術(shù)水平、在盲點掃描地帶的應(yīng)用等等，這些還需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)才能進(jìn)一步提高金屬礦山測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。