三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

冷 冰

（赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024039）

隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，其相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品也在不斷的出現(xiàn)，該技術(shù)有著精準(zhǔn)度高、效率高、測(cè)量速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)而深受各大測(cè)量人員的喜愛。而三維激光掃描技術(shù)就是其中之一，將其引入到礦山測(cè)量中后，不僅減少了礦山測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，也提升了礦山測(cè)量的精準(zhǔn)度以及效率[1]。在一定程度上解決了礦山測(cè)量難度大、規(guī)模大、保存困難等問題。

1 三維激光掃描技術(shù)的介紹

三維激光掃描是一種新型的非接觸式空間信息的測(cè)量技術(shù)，為空間三維信息的獲取提供了全新的手段，也是現(xiàn)代信息化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，該項(xiàng)技術(shù)首次出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初，根據(jù)激光的特性，將其引用到測(cè)量裝置中，可以在精度、速度和操作性方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，這就引發(fā)了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的革命。

三維激光掃描是可以迅速獲取數(shù)據(jù)的測(cè)量技術(shù)，為礦山的測(cè)量提供了新的方向。隨著激光、半導(dǎo)體、傳感技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)量的應(yīng)用在不斷的擴(kuò)大。

三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量原理和傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量原理有相似之處，同樣是以三角形為模型，利用三角函數(shù)對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，不同的是三維激光掃描技術(shù)主要是有高精度的激光測(cè)距儀器和引導(dǎo)激光勻速旋轉(zhuǎn)發(fā)射的棱鏡組成[2]。利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的時(shí)候，主要是通過發(fā)射激光，經(jīng)過表面的鏡子反射來得到數(shù)據(jù)，從兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離配合水平角和垂直角的角度進(jìn)行計(jì)算，最終得出測(cè)量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

三維激光測(cè)量技術(shù)在克服傳統(tǒng)測(cè)量的局限性同時(shí)，采取了非接觸式的主動(dòng)測(cè)量方式，能夠直接獲得非常高精度的三維數(shù)據(jù)，對(duì)任意物體掃描的時(shí)候，沒有時(shí)間和空間的限制，能夠快速進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換[3]。三維激光掃描技術(shù)擁有測(cè)量精確、掃描速度快、全數(shù)字等特征，最大程度的節(jié)約了成本和時(shí)間，使用方式也比傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)單，其輸出的格式可以通過常規(guī)的工具軟件連接。

2 礦山測(cè)量分析

利用三維激光掃描技術(shù)，是將事物進(jìn)行掃描后獲取其三維空間的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行重建事物的三維模型后，形成了這種掃描技術(shù)，通過無接觸的目標(biāo)測(cè)量，可以快速的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)獲取事物三維空間的數(shù)據(jù)結(jié)果，相比于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)能夠有更高的準(zhǔn)確度以及分辨度，這種技術(shù)主要是通過過得目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將一個(gè)個(gè)散點(diǎn)坐標(biāo)連接，組成一個(gè)三維的信息，不用對(duì)實(shí)物進(jìn)行處理就能夠獲得較為可靠的數(shù)據(jù)，其真實(shí)性也是比較高的。

三維激光掃描技術(shù)在礦山開采的過程中使用，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)化管理外，操作人員還能夠利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦山的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行查詢和分析，尤其是對(duì)礦山三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢，在不同的查詢階段對(duì)模型進(jìn)行有效的分析，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物的變化及移動(dòng)情況，有利于保護(hù)礦山中工作人員的安全。

在進(jìn)行礦上開采之前，一定要做好前期的測(cè)量工作，準(zhǔn)確的控制測(cè)量的精度和位置，三維激光掃描技術(shù)是全球定位系統(tǒng)的表現(xiàn)之一，目前是礦山測(cè)量中精度最高的新型測(cè)量技術(shù)之一，礦山測(cè)量在控制測(cè)量中一般都是全面的控制測(cè)量，要求從整體到局部，分級(jí)式的布局，測(cè)量采用水平和三角測(cè)量結(jié)合的方式，使用導(dǎo)線測(cè)量來進(jìn)行GPS的有效定位[4]。而礦山信息系統(tǒng)的測(cè)量是完善整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的重要工作之一，這一系統(tǒng)是根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地理信息的儲(chǔ)存、維護(hù)和管理統(tǒng)計(jì)，相對(duì)于不完善的傳統(tǒng)礦山測(cè)量來說，更節(jié)約時(shí)間，工作量也得到了減輕。因此建立完整的信息數(shù)據(jù)庫，能夠幫助礦山企業(yè)的高效式發(fā)展。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

首先是對(duì)于礦山中的地形和地質(zhì)的測(cè)量。在礦山的開采過程中，其地質(zhì)、地貌都非常復(fù)雜，這就給正常的測(cè)量工作帶來了非常大的工作難度，而傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量又有諸多的限制，因此三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種最新型的技術(shù)，最大程度的降低了工作人員的工作難度，同時(shí)給礦山工作節(jié)省了人力、物力、時(shí)間等，進(jìn)而提高了礦山測(cè)量的工作質(zhì)量和效率，也保障了礦山中工作人員的生命安全，降低了在礦山測(cè)量中的各種風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上保障了礦上開采整個(gè)項(xiàng)目的安全性。

如果在礦山開采中，工作人員利用脈沖式的三維激光掃描儀器進(jìn)行測(cè)量和采集數(shù)據(jù)，將這些采集到的數(shù)據(jù)傳送到地面的終端設(shè)備，用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。利用終端的處理器進(jìn)行實(shí)物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，消除雜音、視角對(duì)齊、數(shù)據(jù)處理等一系列的步驟進(jìn)行三維方式的重建，將物體的影像呈現(xiàn)出來，在這一過程中三維激光掃描技術(shù)的充分使用，體現(xiàn)出現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化和信息化的轉(zhuǎn)變及結(jié)合，不僅降低了礦上測(cè)量的成本，還提升了整個(gè)測(cè)量的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步推動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是通過三維掃描儀器測(cè)量出的三維坐標(biāo)為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換到另一坐標(biāo)中，利用了全球定位系統(tǒng)技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)前的三維激光掃描技術(shù)中測(cè)量出來的距離和角度暫時(shí)有限，在地形復(fù)雜的礦山測(cè)量中需要多臺(tái)三維激光掃描儀進(jìn)行全方位的掃描，進(jìn)而獲得更完整的三維空間信息來配對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)的精準(zhǔn)度非常高，但是由于人員操作的失誤、不同測(cè)量點(diǎn)之間測(cè)量產(chǎn)生的一定誤差、點(diǎn)云算法的誤差等，會(huì)影響兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也會(huì)出現(xiàn)一定的誤差量，而這些誤差量累計(jì)到一起，最后會(huì)導(dǎo)致礦上測(cè)量邊緣處的三維坐標(biāo)出現(xiàn)比較大的誤差，這時(shí)就需要對(duì)多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的檢查和核對(duì)，從而建立起高精度的控制網(wǎng)。利用這一控制網(wǎng)來劃分小塊區(qū)域，將每個(gè)區(qū)域的控制點(diǎn)數(shù)量繼續(xù)劃分，同時(shí)配合高精度的全站儀，在測(cè)量區(qū)域均勻分布多臺(tái)，設(shè)立多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在控制區(qū)的測(cè)量點(diǎn)要均勻分布，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精確度。

其次是礦山的井下測(cè)量。礦山開采過程中，井下測(cè)量工作是比較難的，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)隱蔽性、不確定性，最重要的是危險(xiǎn)性極大，因此在測(cè)量的過程中，很容易受到突發(fā)性事件的影響，這就會(huì)有極大的限制度，從而導(dǎo)致了測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果的誤差性、有效性和真實(shí)性，而對(duì)于井下的測(cè)量工作和人員來說都得到了國(guó)家和相關(guān)機(jī)構(gòu)的高度重視。因此，隨著最新款的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，給礦山測(cè)量人員帶來了極大的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步揚(yáng)長(zhǎng)避短，推動(dòng)了礦上井下作業(yè)和測(cè)量工作的有效開展。

在礦山測(cè)量的過程中，利用三維激光掃描儀器來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的勘探、掃描來獲得數(shù)據(jù)，同時(shí)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)相配合，來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、拼接以及三維模型數(shù)據(jù)的建立，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)礦上開采過程中井下情況的實(shí)時(shí)測(cè)量，保證了井下數(shù)據(jù)的真實(shí)性，能夠更可靠。在礦山作業(yè)的過程中，利用三維激光掃描技術(shù)來對(duì)井下進(jìn)行勘探和測(cè)量，從信息的采集到結(jié)果的分析，三維激光掃描技術(shù)能夠全面測(cè)量出井下的情況，同時(shí)保障了工作人員的安全，減少了施工過程中突發(fā)事故，同時(shí)保證了礦山開采的效益和效率。

最后是在礦山廢棄物的測(cè)量。在礦山開采的過程中，會(huì)有大量的土壤被挖出，而被挖出的這些就會(huì)成為廢棄物，在礦山開采完成后，累積的廢棄物需要被運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移。因此，對(duì)于礦山廢棄物的測(cè)量，利用三維激光掃描技術(shù)能夠提前預(yù)計(jì)數(shù)量。在礦山廢棄物測(cè)量中，三維激光掃描是以礦山或者土壤為測(cè)量目標(biāo)，根據(jù)時(shí)間測(cè)量距離，從而完成對(duì)物體空間和位置的確定，利用專門的計(jì)算方式來測(cè)量廢棄物的距離和多少，這主要包括數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)的計(jì)算等。而礦山廢棄物的測(cè)量采用的是地面三維激光掃描，將地面的信號(hào)反射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，脈沖信號(hào)為條件，建立起三維空間的坐標(biāo)，結(jié)合三維立體的圖像來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，從而計(jì)算出廢棄物的實(shí)際數(shù)量。通過這一結(jié)果，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出運(yùn)輸車輛的使用，節(jié)約了大量的時(shí)間和運(yùn)輸成本，同時(shí)降低了人力、財(cái)力的損耗，提高了整個(gè)工程的進(jìn)度和效率，也推動(dòng)了三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)是集當(dāng)前所有測(cè)量技術(shù)于大成者，無論是在礦山測(cè)量還是監(jiān)測(cè)等工作上，都取得了無可替代的作用。