三維激光掃描技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

魏占勝，王濤，鮑文福

(新疆紫金鋅業(yè)有限公司，新疆 烏恰縣 845450)

0 引言

在露天礦山中，采場的測量與驗收工作往往需要測量人員通過人工、手持的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此項工作屬于靜態(tài)測量，不僅工作量較大、誤差較大，而且存在一定的安全風(fēng)險。傳統(tǒng)上多采用傳感器監(jiān)測法，但該方式只能反映出幾個單點的變形情況，不能直觀地給出監(jiān)測點間、面內(nèi)、體內(nèi)的變形。

三維激光掃描技術(shù)系統(tǒng)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命[1]，測量人員可以在較安全的區(qū)域完成動態(tài)的數(shù)據(jù)采集工作，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，快速、可靠地采集物體表面的三維數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了面測量的技術(shù)突破，且其具有便攜、采集速度快、非接觸式、自動化程度高等特點，可用于解決危險目標(biāo)、環(huán)境（或柔性目標(biāo)）及人員難以企及的情況，因而近年來廣泛應(yīng)用于地形地質(zhì)測繪、礦山測繪、礦山三維模型重構(gòu)等領(lǐng)域。

1 Maptek R3系列三維激光掃描系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

南澳Maptek公司的R3系列三維激光掃描系統(tǒng)包含三維激光掃描儀、三腳架、井下光源、溜井測量裝置及相關(guān)軟件，如 Point Studio，Sentry、PerfectDig等，并配套影像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、巖土工程分析系統(tǒng)、邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)等。

其中，三維激光掃描儀由激光頭、內(nèi)置羅盤、內(nèi)置GPS、內(nèi)置鋰電池、高清相機(jī)、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、單把手、旋轉(zhuǎn)軸、雙把手所構(gòu)成如圖 1所示。PointStudio軟件是用于處理掃描儀的建模、分析和報告等大型點云數(shù)據(jù)的3D平臺桌面工具，具備體積計算、自動提取坡頂?shù)拙€、等高線自動提取、剖面線提供、填挖方量計算、巖土工程分析等功能。Sentry軟件專門用于針對邊坡變形的監(jiān)測軟件，具備自動處理采集的點云數(shù)據(jù)、繪制變形位移曲線、繪制變形速度曲線、繪制氣象信息曲線的功能。PerfectDig軟件專門用于施工結(jié)果與設(shè)計方案的對比檢驗與快速質(zhì)量評估。

圖1 三維激光掃描儀

1.2 系統(tǒng)工作原理

掃描儀采用脈沖式激光、運(yùn)用激光測距原理進(jìn)行工作[2]，如圖2所示，由激光發(fā)射器（圖2中原點）發(fā)出激光脈沖信號，經(jīng)目標(biāo)區(qū)域（P點）的表面漫反射后，沿相同的路徑反射傳回到接收器，便可直接返回P點至原點的距離S，再通過控制編碼器同步測取P點的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，基于以上數(shù)據(jù)，利用式（1）～式（3）即可計算P點的相對坐標(biāo)xp、yp和zp，利用反射原理可得到P點的反射率。

圖2 三維激光掃描儀工作原理

1.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

與其他測量系統(tǒng)相比較，Maptek R3系列三維激光掃描系統(tǒng)具有準(zhǔn)確高效性、獨立性、強(qiáng)固性、可調(diào)節(jié)性、兼容性、數(shù)圖同步性以及主動性的優(yōu)勢。

（1）準(zhǔn)確高效性。本系統(tǒng)可以大范圍、高分辨率、高精度地采集目標(biāo)物體的坐標(biāo)。不同于傳統(tǒng)激光掃描儀的標(biāo)靶拼接，可通過后視定向技術(shù)進(jìn)行點位快速匹配，并能以1200萬點/min的點速率進(jìn)行掃描，這大大縮短了外業(yè)工作時間，簡化了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程。

（2）獨立性。本系統(tǒng)體積小、重量輕、便于攜帶；其自身可完成三維點云-面-體的全過程；系統(tǒng)的點密度極高，同時PointStudio軟件也具備自動拼接、后臺交會功能，因而設(shè)備無須全站儀全程配合。

（3）強(qiáng)固性。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，符合IP65防護(hù)等級，即可完全防止粉塵進(jìn)入，不受任何角度低壓噴射的影響，可適應(yīng)-40～+50℃的溫度。

（4）可調(diào)節(jié)性。適應(yīng)三腳架、延伸桿、車載、機(jī)載多種環(huán)境的測量；且可在獲取點云數(shù)據(jù)的同時直接瀏覽測量結(jié)果，外業(yè)中可任意定義掃描區(qū)域及點云密度。

（5）兼容性。本系統(tǒng)PointStudio等處理軟件的數(shù)據(jù)成果可與 Surpac等第三方礦業(yè)軟件無縫對接；掃描儀上配備全站儀棱鏡或RTK接口[4]，可與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)換。

（6）數(shù)圖同步性。本系統(tǒng)內(nèi)置工業(yè)級線性數(shù)碼相機(jī)，像素達(dá)到1.47億，影像數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)同步采集，幫助測量人員在現(xiàn)場進(jìn)行綜合判斷、在內(nèi)業(yè)時編錄礦巖邊界和節(jié)理裂隙。

（7）主動性。本系統(tǒng)采用主動發(fā)射掃描激光的方式進(jìn)行工作，掃描過程不受掃描環(huán)境的時間、空間約束。

4月26日，天成控股發(fā)布2016年度報告，因連續(xù)兩年經(jīng)審計的凈利潤虧損，天成控股實施股票退市風(fēng)險警示，股票被交易所特別處理，戴上“ST”的帽子，停牌一天，此后，日最高漲跌幅變更為±5%。

2 工程應(yīng)用實例

2.1 工程背景

隨著國家和礦山企業(yè)對礦山安全的日益重視，越來越多的礦山向數(shù)字化的方向發(fā)展[5]，數(shù)字化逐步滲透到礦山的每個部分與每個環(huán)節(jié)中。為順應(yīng)礦山的數(shù)字化大趨勢，某金屬礦山露天開采中要完成采場的測量、采掘方量的結(jié)算與驗收、邊坡的穩(wěn)定性分析、排土場及尾礦庫的位移沉降監(jiān)測，并建立以上各區(qū)域的數(shù)字化模型。以上技術(shù)目標(biāo)可為礦山的開采方案、維修計劃、事故預(yù)防措施的制定提供參考。

2.2 準(zhǔn)備工作

在開始現(xiàn)場掃描之前，需要進(jìn)行測前準(zhǔn)備。將采場通訊基站的網(wǎng)絡(luò)引入Maptek R3系列三維激光掃描系統(tǒng)（以下簡稱“掃描系統(tǒng)”）所在的位置，連接掃描系統(tǒng)的各個通訊接口，連接掃描系統(tǒng)的控制系統(tǒng)與操作軟件。在目標(biāo)區(qū)域布設(shè)控制點，在測量位置布設(shè)測站，采用控制測量的方式連接各測站及其數(shù)據(jù)，相鄰測站間要保留適當(dāng)?shù)闹丿B部分。在某測站采用架站式架設(shè)掃描儀并進(jìn)行定向，由于掃描儀自身具備固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，只需對1～2個標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描，再通過操作軟件控制掃描儀的內(nèi)置羅盤與 GPS進(jìn)行坐標(biāo)定位，即可完成定向工作。

2.3 露天監(jiān)測應(yīng)用

2.3.1 采掘方量的結(jié)算與驗收測量

在各測站對露天采場進(jìn)行三維激光掃描，通過遙測系統(tǒng)將掃描結(jié)果傳輸至處理中心。在處理中心利用 PointStudio軟件讀取全部數(shù)據(jù)，選擇拼接方法，對各測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，得到絕對坐標(biāo)下的點云數(shù)據(jù)，PointStudio軟件內(nèi)置多種拼接方法，可確保配準(zhǔn)具有較高的準(zhǔn)確率。然后，使用軟件的范圍過濾和抽稀功能，對不同測站數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域進(jìn)行過濾[6]。對采集的點云數(shù)據(jù)通過掃描三角網(wǎng)進(jìn)行建模，生成露天采場三維模型，圖 3（a）、（b）分別為10月份、12月份的露天采場模型。最后，對比兩期數(shù)據(jù)模型，得到兩期測量間發(fā)生變化的區(qū)域，如圖3（c）所示；運(yùn)用PointStudio軟件的體積計算功能，計算兩期間的采掘方量。

圖3 露天采場三維模型

2.3.2 地形測量

利用掃描系統(tǒng)獲取1:500的比例尺下地形的有效點云數(shù)據(jù)，與實際地形進(jìn)行對比，如圖4所示，可以看出，點云數(shù)據(jù)可較準(zhǔn)確地描述地形特征。

圖4 露天采場的地形點云數(shù)據(jù)與實際地形的對比

2.3.3 采場邊坡的巖土工程分析

利用掃描系統(tǒng)獲取采場邊坡的點云數(shù)據(jù)[7]（如圖 5（a）所示），計算目標(biāo)區(qū)域的反射率和紋理信息，再運(yùn)用巖土工程分析系統(tǒng)對采場邊坡所揭露出的節(jié)理構(gòu)造進(jìn)行統(tǒng)計分析，找出弱勢結(jié)構(gòu)面，如圖5（b）所示。

圖5 目標(biāo)區(qū)域的節(jié)理構(gòu)造分析

2.3.4 排土場的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警

坡腳是排土場的根基，其長時間支撐著整個排土場，是確保排土場穩(wěn)定的前提條件和重要因素，此外，本露天礦排土場的坡腳正逐漸地被雨水沖刷和侵蝕，已形成半個深溝，因此，排土場的全天候監(jiān)測預(yù)警區(qū)域最終選擇在腰部與坡腳之間的制高點，監(jiān)測水平為 1370～1670 m，監(jiān)測角度為水平120°～垂直90°，監(jiān)測區(qū)域如圖6所示。

圖6 排土場的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警區(qū)域

在監(jiān)測站點埋設(shè)固定監(jiān)測墩，定期將掃描儀安裝在監(jiān)測墩上，盡量在單次內(nèi)進(jìn)行較長時間的持續(xù)掃描，并在掃描系統(tǒng)至礦山中控室間布設(shè)無線基站與電力網(wǎng)絡(luò)，通過無線基站連接掃描系統(tǒng)與Sentry軟件。之后，在Sentry軟件中定義多個全天候穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警初目標(biāo)區(qū)域。然后，根據(jù)掃描儀定期采集的數(shù)據(jù)，軟件會自動繪制變形位移及速度曲線，生成三維變形位移云圖[7]，分別如圖 7（a）、圖 7（b）所示。

圖7 排土場的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果

若計劃監(jiān)測時間的天氣條件較為惡劣，須提前為掃描儀修建2 m×2 m×2 m的觀測房用以代替監(jiān)測墩。房內(nèi)附有長2 m，高1 m，下沿高于地面1 m的前窗，調(diào)整掃描儀的位置以使激光頭正對前窗，在房內(nèi)安裝避雷針、等電位連接排、接地裝置，形成防雷系統(tǒng)；并在房頂設(shè)置氣象站，可直觀地獲悉現(xiàn)場的氣象信息。

2.3.5 排土場的邊坡治理施工監(jiān)測

連接掃描系統(tǒng)與 PerfectDig軟件，通過PerfectDig軟件控制掃描儀即時采集施工現(xiàn)場的場景三維數(shù)據(jù)，軟件自動對其進(jìn)行拼接、植被剔除等；然后，圈定待評估區(qū)域，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與設(shè)計方案進(jìn)行對比、查詢和分析，其中包括橫截面、塊體輪廓線截取、施工與設(shè)計偏差、超挖量、欠挖量（如圖 8所示）、挖方偏差范圍尺寸等的查詢；之后，PerfectDig軟件自動生成施工與設(shè)計一致性檢驗的成果報告，根據(jù)報告內(nèi)容，對施工結(jié)果不斷進(jìn)行修正調(diào)整，從而控制與設(shè)計之間的偏差。

圖8 超挖量、欠挖量分析

3 結(jié)論

（1）三維激光掃描技術(shù)適用于測量人員無法到達(dá)的復(fù)雜礦山現(xiàn)場和空間，能夠用可視化的方式表示目標(biāo)區(qū)域的具體形態(tài)和空間分布，具有準(zhǔn)確高效性、獨立性、強(qiáng)固性、可調(diào)節(jié)性、兼容性、數(shù)圖同步性及主動性的優(yōu)勢。

（2）將三維激光掃描技術(shù)同時應(yīng)用于礦山中，可實現(xiàn)對地上、地下構(gòu)筑物的全方位監(jiān)測與管理，還可根據(jù)點云數(shù)據(jù)再現(xiàn)礦山開采過程，輔助測量人員實時掌握各區(qū)域的開采進(jìn)度、開采程度以及變形情況，提高了礦山技術(shù)管理水平，為礦山測量的驗收提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為礦山的安全生產(chǎn)提供了保障。為邊坡穩(wěn)定性的分析、現(xiàn)場的治理提供了依據(jù)，促進(jìn)了礦山安全監(jiān)測的精細(xì)化管理。