三維激光掃描的露天礦山儲量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張軍偉

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000）

礦山儲量動態(tài)監(jiān)測過程中，一般通過外業(yè)測量，也就是通過利用測量設(shè)備對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，也可使用內(nèi)業(yè)測量，也就是SD法獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息對礦山儲量進(jìn)行全面考量。測量人員通過采用測量儀器，對礦山儲量檢測時，需要按點(diǎn)進(jìn)行全面采集，但是所采集的效率相對較低，而內(nèi)業(yè)測量分析工作較為繁瑣，難以快速完成礦山資源儲量檢測[1]。不過在使用三維激光掃描技術(shù)的過程中，可有效解決外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)測量所存在的問題，同時可構(gòu)建良好的動態(tài)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天礦山儲量動態(tài)監(jiān)測。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維激光掃描儀在使用過程中，可快速獲取測繪目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)信息，測繪人員可突破傳統(tǒng)測繪方式，全面做好數(shù)據(jù)挖掘工作與數(shù)據(jù)開發(fā)工作。三維激光掃描儀具備精確度高、速度快等特點(diǎn)，可測量大范圍的內(nèi)務(wù)，同時也能對物體的局部信息進(jìn)行全面掌握。

通過對三維激光掃描技術(shù)的有效運(yùn)用，可提高對礦山儲量動態(tài)監(jiān)測效率，提升動態(tài)監(jiān)測的整體精密度。在不同的區(qū)域中進(jìn)行測量時，應(yīng)當(dāng)依據(jù)測區(qū)實(shí)際情況，配合GPS技術(shù)，落實(shí)好導(dǎo)線控制點(diǎn)測量工作[2]。在導(dǎo)線控制點(diǎn)中，架設(shè)測量儀器的過程中可進(jìn)行全面掃描，但是在不同位置架設(shè)測量儀器的過程中，需要掃描公共標(biāo)靶，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間的拼接配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)測。在使用三維激光掃描儀的過程中，掃描速率可達(dá)到10000點(diǎn)/s，最高可達(dá)到1000000點(diǎn)/s，在一個小時內(nèi)，完成數(shù)十萬平方千米的運(yùn)輸局采集，能全面提高數(shù)據(jù)采集效率。

三維激光掃描儀在露天礦山儲量應(yīng)用中，可確保礦體取樣的準(zhǔn)確性，同時也可對礦體質(zhì)量進(jìn)行全面評定，實(shí)現(xiàn)礦體結(jié)果勘探預(yù)測，同時對礦山各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，根據(jù)數(shù)據(jù)信息繪制云圖，實(shí)現(xiàn)全面管理。

2 露天礦山掃描及精度分析

2.1 外業(yè)掃描

（1）掃描儀器與數(shù)據(jù)處理軟件。在實(shí)驗(yàn)的過程中，所使用的三維激光掃描儀器的掃描速率超出了100000點(diǎn)/s，在數(shù)據(jù)信息全面收集的過程中，需要控制好點(diǎn)位密度。確保每一個點(diǎn)位測量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足項(xiàng)目需求。在點(diǎn)位測量中，測量精度控制在2mm以為，掃描距離在超出300m后，則可根據(jù)測量數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行云數(shù)據(jù)分析。

（2）掃描方法與作業(yè)流程。在試驗(yàn)的過程中，通過采三維激光掃描儀對標(biāo)靶信息進(jìn)行采集時，一般標(biāo)靶為2.5英寸的圓形標(biāo)靶，銅鎖對礦區(qū)的所屬區(qū)域與施工進(jìn)行全面控制的過程中，可掃描4個測站點(diǎn)，確保測站點(diǎn)間距控制在200m左右后，將3個標(biāo)靶作為選擇測站試點(diǎn)[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。通過采用外業(yè)掃描所獲取的信息，需要利用IGGIII方案，結(jié)合Cyclone軟件的標(biāo)靶憑借功能，實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)憑借。在多種掃描測站中，第一站為基準(zhǔn)點(diǎn)，其余的測站點(diǎn)需要以基準(zhǔn)點(diǎn)為主，對后視標(biāo)靶收集坐標(biāo)信息進(jìn)行全面收集完成拼接，在拼接技術(shù)后，需對云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足測量坐標(biāo)系統(tǒng)需求。

（2）加權(quán)總體最小二乘基本原理。加權(quán)總體最小二乘球面擬合的EIV模型為：

在EIV模型中，其中Y屬于含偶然誤差eY的n×1維觀測向量，A則為含偶然誤差EA的n×4維系數(shù)矩陣，X為待求球面參數(shù)：

（3）權(quán)函數(shù)選取。由于測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息很容易受到外界因素影響，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，考慮IGGIII方案在使用的過程中，可有效提高測繪效果，所以在本次研究中，采用IGGIII方案對云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，對所存在的擬合全陣進(jìn)行全面調(diào)整，權(quán)因子計(jì)算公式如下所示。

在工事中，Vi屬于殘差，σ屬于誤差，k0、k1則屬于閾值，通過中誤差分布概率對其進(jìn)行分析的過程中，k0值在1～1.5之間，k1值則在2.5～3之間，ω為權(quán)因子。根據(jù)IGGIII方案，假設(shè)k0值為1.5，k1值為2.5，那么觀測值Vi＜σ，如果權(quán)因子不發(fā)生任何變化，觀測值則為粗差，可忽略不計(jì)。

3 三維激光掃描的露天礦山儲量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維激光掃描在露天礦山儲量動態(tài)檢測系統(tǒng)中，可對礦山內(nèi)部的資源數(shù)量全面掌握，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中，主要以三維激光掃描硬件系統(tǒng)組成，主要就是為實(shí)現(xiàn)露天礦山儲量資源的真實(shí)云數(shù)據(jù)功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用了三維激光掃描儀、580線紅外固定鏡頭防水?dāng)z像機(jī)與DELLM6800工作站。同時還結(jié)合使用了后處理軟件系統(tǒng)，通過掃描得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此來進(jìn)行建模計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)管等功能。

3.1 三維激光掃描系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

三維激光掃描儀硬件設(shè)計(jì)中，主要包括對水平吊證單元、數(shù)據(jù)采集單元以及中央控制單元等。系統(tǒng)電源額定電壓為220v，通過采用無線網(wǎng)絡(luò)讓上位機(jī)軟件控制三維激光掃描儀，對礦山地區(qū)進(jìn)行360°無死角旋轉(zhuǎn)勘測，同時對礦山資源進(jìn)行全面掌握，該過程無需采用云數(shù)據(jù)拼接。采用安全激光進(jìn)行掃描，激光波長需要控制在900nm左右，避免對礦山工作人員與礦山資源造成影響，掃描半徑范圍可達(dá)到100m左右，三維激光掃描工作在實(shí)施的過程中，可對露天礦山儲量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，同時處理數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模。在后期處理中，需要通過三維建模數(shù)據(jù)處理獲取真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，以此確保三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)建質(zhì)量。通過脈沖測距，可利用三維空間，獲取露天礦山實(shí)地場景。不過使用三維激光掃描的過程中，需要全面控制好激光傳播時間，確保掃描點(diǎn)距離，距離值為Sp，每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值為?，縱向掃描角度觀測值為ω，利用以上三維數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維坐標(biāo)系，同時在使用掃描儀的過程中，可對儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，同時對掃描內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行具體分析，從而獲取三維激光坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算公式：

3.2 三維激光掃描控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

三維激光掃描儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以系統(tǒng)參數(shù)為主，在云數(shù)據(jù)采集的過程中，需要控制好數(shù)據(jù)信息顯示，保障數(shù)據(jù)信息儲存等，系統(tǒng)在全面開發(fā)的過程中，合理運(yùn)用Java語言開發(fā)程序，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制中，確保執(zhí)行效率。露天礦山儲量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要以軟件功能設(shè)計(jì)為主，其中包含了掃描儀控控制設(shè)計(jì)及預(yù)留接口設(shè)計(jì)兩部位，掃描儀控制設(shè)計(jì)主要包含了連續(xù)性掃描控制、掃描速度控制、掃描儀歸零控制、數(shù)據(jù)傳輸與云數(shù)據(jù)處理等功能。

3.3 維激光掃描動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

三維激光掃描儀動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作運(yùn)行的過程中，其運(yùn)行方式包含了以下幾方面。①需要通過儀器連接，設(shè)置IP地址，隨后通過利用無線網(wǎng)絡(luò)，連接掃描儀，點(diǎn)擊掃描按鈕，即可自動對露天礦山儲量進(jìn)行全面監(jiān)測。②三維激光掃描儀器在使用的過程中，參數(shù)初始自動歸零，確保儀器初始數(shù)據(jù)為零，測量工作人員在控制過程中，需要在每一次使用掃描系統(tǒng)的過程中，確保系統(tǒng)重新歸置，提高三維激光掃描儀器數(shù)據(jù)信息收集的精確度。③設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，運(yùn)動控制包含了速度、位移兩種模式。系統(tǒng)在對礦山儲量進(jìn)行檢測過程中，一般會默認(rèn)為速度模式，在速度模式下，需要制作數(shù)據(jù)編輯框，在數(shù)據(jù)框中加入相應(yīng)的速度值，從而工作人員可制動點(diǎn)擊速度按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，即可根據(jù)速度模式進(jìn)行移動。在系統(tǒng)速度設(shè)置框中填入合適的速度數(shù)值，然后點(diǎn)擊設(shè)置速度按鈕，電機(jī)即進(jìn)入以速度模式進(jìn)行移動。在位移模式下，需要在系統(tǒng)位移設(shè)置框中，填入相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，從而讓三維激光掃描儀進(jìn)入位移模式，對露天礦山儲量進(jìn)行系統(tǒng)研究。④數(shù)據(jù)傳輸與存儲。在系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)過程中，需要通過利用計(jì)算機(jī)控制中心軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，對掃描數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲存，同時在設(shè)置數(shù)據(jù)信息文件過程中，對文件信息進(jìn)行傳輸，確保接收儀器在自動接收數(shù)據(jù)信息后，可自動將信息錄入文件，并上傳到數(shù)據(jù)庫中。同時相關(guān)工作人員需要對數(shù)據(jù)路進(jìn)行更新。⑤數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換，在對所保存的原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行掃描后，需要處理文件，從而生成云數(shù)據(jù)文本文件，利用數(shù)據(jù)瀏覽工具對文化信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語

在三維激光掃描儀器的作用下，通過設(shè)計(jì)露天礦山儲量監(jiān)測系統(tǒng)，可及時對礦山資源進(jìn)行全面掌握，同時根據(jù)礦山儲量情況，設(shè)計(jì)安全可靠的技術(shù)方案，節(jié)省大量的人力資源與物理資源。此外，在三維激光掃描儀器的應(yīng)用下，所獲取的數(shù)據(jù)信息更加精確，可通過三維加墨為工作人員提供更加直觀的數(shù)據(jù)信息。