三維激光測量與傳統(tǒng)測量應(yīng)用對比探討

張凡

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司哈巴河 836700）

1 引言

阿舍勒銅礦地處阿勒泰地區(qū)哈巴河縣，目前有大量采空區(qū)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境惡劣。非接觸式測量，可保證測量人員安全；測量效率高，精度高，操作簡便；設(shè)備能滿足井下濕度、溫度、粉塵等惡劣環(huán)境；軟件能滿足空區(qū)體積計算、自動提取空區(qū)頂?shù)拙€、等高線自動提取、剖面線提供、基于模型進(jìn)行填、挖方量計算、巖土工程分析、巷道噴漿支護(hù)驗(yàn)收等。

2 三維激光測量技術(shù)介紹

三維激光掃描儀是利用激光測距原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破，因其采集速度快、高分辨率、高精度、非接觸式測量、自動化程度高等特點(diǎn)，作為測繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、建筑、考古等領(lǐng)域。

在礦業(yè)領(lǐng)域，通過海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過三維重構(gòu)，可以再現(xiàn)礦山開采現(xiàn)狀，例如露天采場、空區(qū)、巷道、溜井等。測量成果可快速生成礦山所需要的地形地貌、等高線、坡頂?shù)拙€、填挖方量、空區(qū)、巷道、溜井模型等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)還可以導(dǎo)入三維礦業(yè)軟件，結(jié)合礦山資源模型，可實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)精細(xì)化管理，為礦山安全生產(chǎn)提供保障，提高礦山技術(shù)管理水平。國內(nèi)大型礦業(yè)公司，神華集團(tuán)、中國黃金集團(tuán)、山東黃金集團(tuán)、云銅集團(tuán)、紫金礦業(yè)（紫金山礦、烏拉特后旗紫金礦業(yè)）、西部礦業(yè)等均已利用三維激光掃描儀開展相應(yīng)工作。

3 實(shí)際應(yīng)用簡介

（1）地點(diǎn)：阿舍勒銅礦300-1903#采場。

（2）設(shè)備：澳大利亞MAPTEK 公司產(chǎn)品型號ISITESR3L。

（3）測量手段:支架式測量延伸桿式測量。

（4）應(yīng)用流程：

1）操作簡單、輔助配件少（無須全站儀全程配合）；2）實(shí)用性強(qiáng)（人員可不進(jìn)入危險區(qū)域測量）；3）掃描速度快（每站掃描時間2分鐘）；4）可適用阿舍勒井下惡劣環(huán)境；5）現(xiàn)場可清晰看出掃描情況；6）兩個人即可操作。

4 與傳統(tǒng)測繪技術(shù)的區(qū)別

目前礦業(yè)行業(yè)內(nèi)，主要依賴RTK 和全站儀等傳統(tǒng)設(shè)備工作，傳統(tǒng)工作方式面臨一些問題：

（1）測量安全性問題：在地表以上，為了獲取到最真實(shí)數(shù)據(jù)，測量人員需要達(dá)到露天礦臺階邊緣、礦山爆堆、生產(chǎn)料堆之上進(jìn)行測量。在地表以下，特別是礦山采空區(qū)及巷道測量，人員需要深入內(nèi)部進(jìn)行測量，否則無法測出真實(shí)數(shù)據(jù)。這些測量地點(diǎn)都比較危險，存在很大的測量安全隱患；

（2）測量效率問題：傳統(tǒng)測量方式，不論地表還是地下，都需要測量人員一個點(diǎn)一個點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)測量，點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動全靠人員跑動，測量人員不僅十分辛苦，而且測量效率低下，一個礦山的驗(yàn)收測量，動輒就要一周至兩周多才能完成；

（3）測量質(zhì)量問題：測量現(xiàn)場的跑點(diǎn)，全部根據(jù)測量人員個人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，而且點(diǎn)間距動輒幾米距離，還有許多地方測量人員根本無法到達(dá)，導(dǎo)致礦山或工廠的測量點(diǎn)相對稀疏，稀疏的測量點(diǎn)計算的形變、面積、體積等準(zhǔn)確度不夠，測量質(zhì)量有待提高；

（4）測量人性化問題：在烈日酷暑和天寒地凍的情況下，測量人員均需暴露在室外進(jìn)行工作，測量環(huán)境異常艱苦。

以上問題，在礦用三維激光掃描儀中可以得到很好的解決，傳統(tǒng)測量與三維激光掃描儀測量具體對比如下表。

5 探討

當(dāng)前阿舍勒銅業(yè)礦山管理者，希望基于“智慧礦山空間數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用系統(tǒng)”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)地下井巷工程三維可視化、采掘（剝）量驗(yàn)收精確化、驗(yàn)收數(shù)據(jù)獲取快速化，開挖質(zhì)量分析自動化、巖土工程分析智能化、數(shù)據(jù)交互協(xié)同化，生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化，達(dá)到優(yōu)化利用礦產(chǎn)資源，保證礦山生產(chǎn)經(jīng)營安全、高效的目的。在此種背景下，通過高新技術(shù)的測量手段，獲取空間三維形態(tài)，并完成礦山采掘量驗(yàn)收，解決傳統(tǒng)測量手段存在的問題，提升阿舍勒銅業(yè)在礦山采掘量驗(yàn)收、施工質(zhì)量控制方面的科學(xué)化、現(xiàn)代化水平，加快企業(yè)體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，助力集團(tuán)權(quán)屬礦山邁上新臺階，已經(jīng)非常必要。

表1 傳統(tǒng)測量儀器與三維激光掃描儀對比

6 結(jié)束語

三維激光測量與傳統(tǒng)測量相比具有如下一些特點(diǎn)：

（1）非接觸測量

三維激光測量采用非接觸式激光測量，無需反射棱鏡，對掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠?？梢杂糜诮鉀Q危險目標(biāo)、環(huán)境（或柔性目標(biāo)）及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢。

（2）數(shù)據(jù)采樣率高

目前，采用脈沖式激光測量采樣，點(diǎn)速率可達(dá)到二十萬點(diǎn)/秒，可見采樣速率是傳統(tǒng)測量方式難以比擬的。

（3）主動發(fā)射掃描光源

三維激光掃描技術(shù)采用主動發(fā)射掃描光源（激光），通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息，因此在掃描過程中,可以實(shí)現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時間和空間的約束。

（4）高分辨率、高精度

三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點(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。

（5）數(shù)字化采集兼容性好

三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。

（6）結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)能力強(qiáng)，適合井下惡劣環(huán)境使用。

（7）有后方交會功能，不需要全站儀輔助，減輕技術(shù)人員勞動力。掃描設(shè)備具有體積小、重量輕、防水、防潮，對使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適于井下使用。