三維激光掃描儀在露天礦山測(cè)量中的運(yùn)用研究

蘭舜涯

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

露天礦山地質(zhì)環(huán)境的特殊性，決定其生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，一定程度上增加其測(cè)量工作的難度?？茖W(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，使我國(guó)出現(xiàn)更多更先進(jìn)的礦山測(cè)量設(shè)備和方法，與此同時(shí)，也極大提高礦山測(cè)量工作整體水平。為保障采挖安全性，需要及時(shí)測(cè)量露天礦山采挖和采挖后土石填補(bǔ)過(guò)程。但是由于常規(guī)儀器受到精度和效率限制，無(wú)法滿足礦山測(cè)繪工作需求，因此有必要引入先進(jìn)的三維激光掃描儀，它不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)將實(shí)地環(huán)境信息轉(zhuǎn)變成易于處理數(shù)據(jù)的目標(biāo)，使信息更加直觀，便于使用，還擁有較強(qiáng)擴(kuò)展性，在空間形態(tài)上也可以保持高度準(zhǔn)確性，還可以將采區(qū)三維數(shù)字模型生產(chǎn)出來(lái)，因此，它被廣泛應(yīng)用于礦山測(cè)量工作中。

1 測(cè)量露天礦山的主要任務(wù)

礦山儲(chǔ)量地質(zhì)測(cè)量是測(cè)量露天礦山的主要任務(wù)。礦山儲(chǔ)量測(cè)量主要是在占用礦山儲(chǔ)量登記的礦產(chǎn)報(bào)告或儲(chǔ)量核算報(bào)告和上年度礦山儲(chǔ)量年報(bào)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)礦山采樣測(cè)試、礦山測(cè)量、礦山地質(zhì)編錄等技術(shù)方式的應(yīng)用，再整理出礦山地質(zhì)資料，將礦山本年度開(kāi)采量、損失量、資源儲(chǔ)量減量數(shù)據(jù)估算出來(lái)，對(duì)礦山儲(chǔ)量年度報(bào)告進(jìn)行編制，然后結(jié)算本年度保有資源儲(chǔ)量。礦體測(cè)算精度問(wèn)題和歷年有關(guān)儲(chǔ)量數(shù)據(jù)一致性、連續(xù)性問(wèn)題是礦山儲(chǔ)量核心工作[1]。

對(duì)露天礦山地質(zhì)測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括：礦區(qū)基礎(chǔ)控制網(wǎng)和礦山基礎(chǔ)技術(shù)檔案的建立；以規(guī)范要求為依據(jù)，對(duì)開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)測(cè)量，從而將開(kāi)采區(qū)域內(nèi)礦體體積計(jì)算出來(lái)；檢驗(yàn)地質(zhì)測(cè)量成果；計(jì)算儲(chǔ)量，制作礦圖件；對(duì)年報(bào)進(jìn)行編制等。

2 三維激光掃描儀工作原理

電源供應(yīng)系統(tǒng)、控制器和掃描儀等構(gòu)成三維激光掃描儀，在CCD集成儀器內(nèi)部控制系統(tǒng)條件下，使激光測(cè)距與掃描功能充分發(fā)揮出來(lái)。在某種意義上，三維激光掃描儀操作原理類似于全站儀測(cè)量原理，例如利用激光對(duì)間隔距離和水平方向距離進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的三維坐標(biāo)具有精準(zhǔn)性。在三維激光掃描儀中，運(yùn)用激光測(cè)距儀，再加上激光引導(dǎo)，固定住具有一定轉(zhuǎn)速的發(fā)射棱鏡，借助激光測(cè)距儀將激光發(fā)射出去，這樣反射就在被測(cè)物體表面產(chǎn)生了，計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)距離后，與水平方向和豎直方向測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，再進(jìn)行計(jì)算，最后將三維空間坐標(biāo)得出來(lái)，而且具有高度精確性[2]。

3 三維激光掃描儀應(yīng)用于露天礦山測(cè)量中的意義

由于三維激光掃描儀具有效率高、精度高、直觀等優(yōu)勢(shì)，因此，它被露天礦山測(cè)量廣泛應(yīng)用?？梢詫⑷肆臀锪?jié)省下來(lái)，使開(kāi)采效率全面提高，有利于礦山企業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。與此同時(shí)，三維激光掃描儀能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)掃描方法的缺點(diǎn)，在GPS技術(shù)之后，是又一項(xiàng)具有革新意義的技術(shù)，在被測(cè)物體上建立云點(diǎn)模型后，能將相關(guān)數(shù)據(jù)獲取出來(lái)，利于全面了解和掌握被測(cè)區(qū)域情況，對(duì)于現(xiàn)代化礦山企業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[3]。

4 三維激光掃描儀優(yōu)勢(shì)分析

眾所周知，三維激光掃描儀獲取物體表面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，能夠直接被CAD/3DMINE等軟件所使用，究其原因主要是三維激光掃描儀采集相關(guān)數(shù)據(jù)的方式是非接觸式。這種獲取數(shù)據(jù)方式具有特殊性，可以解決傳統(tǒng)測(cè)繪點(diǎn)測(cè)量不足問(wèn)題。此外三維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)還有以下方面：第一，非接觸性，就是說(shuō)利用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)物體表面獲取三維坐標(biāo)信息時(shí)，可以不用接觸物體表面，這樣就可以將測(cè)量危險(xiǎn)區(qū)域柔性目標(biāo)的技術(shù)難題解決掉，而且采集到的數(shù)據(jù)具有真實(shí)性和可靠性；第二，獲取數(shù)據(jù)的速度非?？欤ㄟ^(guò)對(duì)三維激光掃描儀充分利用，可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘對(duì)十萬(wàn)采集點(diǎn)進(jìn)行掃描目標(biāo)，因此在獲取大面積目標(biāo)空間信息中，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用；第三，具有實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性和動(dòng)態(tài)性。三維激光掃描儀作為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，不需要外部光源支持就可以進(jìn)行測(cè)量，在發(fā)射激光回波信號(hào)的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息測(cè)量，這樣就可以突破時(shí)間與空間的約束，因此該項(xiàng)技術(shù)在自動(dòng)化監(jiān)控中也得到良好應(yīng)用。第四，使工作人員減少，將人工成本節(jié)省下來(lái)。傳統(tǒng)的全站儀在測(cè)量過(guò)程中，通常需要很多工作人員，從技術(shù)角度出發(fā)，應(yīng)用傳統(tǒng)方式需要2-3個(gè)測(cè)量人員，但是三維激光掃描儀的工作人員是1-2人就可以將作業(yè)完成，極大節(jié)省人工成本[4]。

除了以上優(yōu)勢(shì)以外，三維激光掃描儀還具有高密度、高精度、穿透性和數(shù)字化特點(diǎn)。其中，穿透性是由于三維激光掃描儀自身具有較小采樣間距，但是采樣密度卻極高，因此，對(duì)于不太濃密的植被而言，依然可以依靠部分激光到達(dá)目標(biāo)表面，這樣就可以將不同層面的幾何信息獲取出來(lái)。點(diǎn)陣和格網(wǎng)數(shù)據(jù)等采集方式具有高密度和高精度，一方面能夠使采樣點(diǎn)分布保持均勻性，另一方面因?yàn)槠渚劢构δ芫哂腥詣?dòng)性、自適應(yīng)性，因此可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度具有均勻性。數(shù)字化和自動(dòng)化特征就是說(shuō)該技術(shù)的自動(dòng)化和數(shù)字化程度很高，極大方便了后續(xù)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)化格式和輸出數(shù)據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)還能夠結(jié)合外置數(shù)碼相機(jī)，這一功能可以有效擴(kuò)展三維激光掃描儀適用范圍，而且使獲取到的地面信息具有高度準(zhǔn)確性和完整性。借助外置數(shù)碼相機(jī)，可以在對(duì)物體表面采集信息的同時(shí)將相應(yīng)彩色信息獲取到，因此，一方面將三維激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用范圍擴(kuò)展了，另一方面也促進(jìn)數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確性的提高[5]。

5 三維激光掃描儀在露天礦山測(cè)量中的運(yùn)用研究

三維激光掃描儀是一種最先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，并且具有明顯優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于露天礦山測(cè)量中具有重要意義，因此，本文接下來(lái)進(jìn)一步研究三維激光掃描儀在露天礦山中運(yùn)用。

5.1 建立地面控制網(wǎng)

運(yùn)用GPS結(jié)合三維激光掃描方式，可以建立地面控制網(wǎng)，在GPS靜態(tài)觀測(cè)下可以將礦區(qū)三等控制網(wǎng)完成，再借助三維激光掃描儀，對(duì)碎步進(jìn)行高精度測(cè)量，將建立地面控制網(wǎng)工作完成。對(duì)于國(guó)家有關(guān)礦區(qū)測(cè)量的限差規(guī)定要求，三維激光掃描儀都可以很好滿足。

5.2 建立礦山模型

利用三維測(cè)量掃描儀在測(cè)量碎步工作中，可以將碎步點(diǎn)坐標(biāo)獲取到，與此同時(shí)，還能夠?qū)ΦV山進(jìn)行激光掃描，將礦山點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取出來(lái)，借助數(shù)據(jù)后期處理技術(shù)，能夠?qū)EM數(shù)據(jù)、數(shù)字點(diǎn)云模型獲取出來(lái)，記錄下礦山直觀地形數(shù)據(jù)，有利于為以后做出安全生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持和保障[6]。

5.3 獲取數(shù)字線劃圖

在礦山開(kāi)采模型的幫助下，1m分辨率的數(shù)字模型就可以實(shí)現(xiàn)高精度等高線劃圖的生成，數(shù)字線劃圖在拼接建模的條件下由高精度、高密度點(diǎn)云模型生成，可以將具體比例的地形線劃圖提供給礦山，這樣就可以將礦山基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取出來(lái)。

對(duì)于礦山基礎(chǔ)設(shè)施而言，包括倉(cāng)庫(kù)、井架、扇風(fēng)機(jī)機(jī)道、消防設(shè)施等，三維激光掃描儀都可以通過(guò)一次性掃描多個(gè)社會(huì)空間位置獲取到空間數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)具有直觀、形象特點(diǎn)，有利于模型的建立，經(jīng)過(guò)矢量化后，以地形要素形式增加到礦山地形圖中；三維激光掃描儀能夠快速測(cè)量露天礦山，而且其等高線畫圖具有高分辨率，高數(shù)據(jù)質(zhì)量[7]。

5.4 監(jiān)測(cè)礦區(qū)、礦井設(shè)施沉降

對(duì)于礦山井下工程設(shè)施的沉降監(jiān)測(cè)而言，它的主要目標(biāo)是衡量礦井安全性，這是測(cè)量礦山最重要的環(huán)節(jié)。更為重要的是監(jiān)測(cè)井口設(shè)施沉降，因?yàn)樗苯佑绊懙骄埠途氯藛T生命健康安全，運(yùn)用三維激光掃描儀，能夠獲取到整體、精確的井口設(shè)施空間數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)期積累數(shù)據(jù)的條件下，可以及時(shí)將沉降變化發(fā)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的充分利用，可以完成對(duì)井口相對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量，而且可以測(cè)量到信息豐富的點(diǎn)位，獲取數(shù)據(jù)更加全面，從而使模型更加直觀形象[8]。

5.5 測(cè)量沉陷區(qū)

對(duì)地下礦山進(jìn)行開(kāi)采，不可避免造成地面沉陷，運(yùn)用三維激光掃描儀獲取到數(shù)據(jù)后，可以對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行建模，通過(guò)點(diǎn)云模型，不僅將沉降區(qū)面積大小計(jì)算出來(lái)，還可以了解沉陷情況，對(duì)還耕技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。

5.6 測(cè)量巷道

借助三維激光掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)井下掃描作業(yè)目標(biāo)，促進(jìn)整個(gè)井下巷道模型的建立，有利于對(duì)井下進(jìn)行開(kāi)采管理、對(duì)巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)、對(duì)井下進(jìn)行定向控制監(jiān)測(cè)、對(duì)主巷道進(jìn)行測(cè)量與定向，給定腰線、掘進(jìn)時(shí)中，貫通井下巷道、測(cè)量井下場(chǎng)地開(kāi)拓超欠挖；計(jì)算礦量等。

5.7 測(cè)量橫斷面

三維激光掃描儀，不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量井下礦山的目標(biāo)，還可以運(yùn)用點(diǎn)云模型，對(duì)后生成的橫斷面線劃圖進(jìn)行處理，以此為重要數(shù)據(jù)，將其提供給煤礦安全生產(chǎn)部門，這樣就有利于對(duì)巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分析。

6 測(cè)量露天礦山注意事項(xiàng)

在應(yīng)用三維激光掃描儀對(duì)露天礦山進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：第一，由于三維激光掃描儀的重量大，在三腳架不穩(wěn)定時(shí)，無(wú)法保障設(shè)備的安全性；第二，為避免損壞設(shè)備激光發(fā)射器，棱鏡不能出現(xiàn)在三維激光掃描儀儀器100m以內(nèi)；第三，由于三維激光掃描儀具有較遠(yuǎn)測(cè)量距離，因此，對(duì)于其后視點(diǎn)的設(shè)置需要大于等于200m；第四，為避免損壞旋轉(zhuǎn)螺紋，在搬運(yùn)三維激光掃描儀過(guò)程中，不能將其上下把手同時(shí)握??；第五，為避免丟失數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀的測(cè)量控制器距離設(shè)備距離不能是10m；第六，在對(duì)儀器高進(jìn)行測(cè)量時(shí)，注意正負(fù)起算點(diǎn)。第七，根據(jù)天氣情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)閷?dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量差的原因之一也包括天氣設(shè)置錯(cuò)誤[9]。

7 結(jié)語(yǔ)

總而言之，三維激光掃描儀應(yīng)用于露天礦山測(cè)量工作中具有重要意義，它有效避免人為篡改數(shù)據(jù)情況，能夠得到更加客觀真實(shí)的儲(chǔ)量數(shù)據(jù)。管理人員通過(guò)對(duì)可視化數(shù)據(jù)分析模型的充分利用，可以全面了解和掌握礦山狀態(tài)與開(kāi)采過(guò)程，并且對(duì)礦山儲(chǔ)量實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)管。此外，三維激光掃描技術(shù)比傳統(tǒng)露天礦山測(cè)量技術(shù)更為先進(jìn)，它可以將更加準(zhǔn)確、安全、可靠的信息提供出來(lái)，是我國(guó)當(dāng)前階段最為經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)手段，為有效安全開(kāi)展礦山作業(yè)，應(yīng)將其大力推廣并廣泛應(yīng)用于礦山測(cè)量中。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是3D激光掃描技術(shù)將會(huì)被更廣泛應(yīng)用于礦山測(cè)量工作中，對(duì)于工作人員而言，需要不斷積累工作經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)積極創(chuàng)新，促進(jìn)礦山測(cè)量質(zhì)量和效率大幅度提升。