三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中的應(yīng)用

摘要：針對傳統(tǒng)測量方法中存在的消耗時間長、精度低、安全風(fēng)險高等問題，探討了三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中的應(yīng)用。詳細(xì)介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理和優(yōu)勢，包括其高精度、高效率、安全性高等特點(diǎn)。對礦山地質(zhì)點(diǎn)云三維重建模型進(jìn)行了研究，提出了貪婪三角化曲面重構(gòu)算法。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了該方法的有效性與準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中具有廣泛的應(yīng)用前景，能夠?yàn)榈V山地質(zhì)勘探提供更加準(zhǔn)確、全面的地質(zhì)數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；礦山地質(zhì)測量；三維重建模型；貪婪三角化曲面重構(gòu)算法礦山地質(zhì)測量一直是礦山勘探和開采過程中非常重要的一環(huán)。對礦山地質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確、全面的測量，可以為礦山開采提供重要的依據(jù)和支持［1］。然而，傳統(tǒng)的地質(zhì)測量方法在效率和精度上存在一定的局限性，且存在一定的安全風(fēng)險。三維激光掃描技術(shù)作為一種新型的地質(zhì)測量技術(shù)，具有不同于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢和特點(diǎn)［2］。通過激光掃描儀器可以實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)的全方位、立體化測量和建模，能夠獲取大量準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，包括地表形貌、地下構(gòu)造等。這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出了很大的潛力，能夠有效地提高礦山地質(zhì)測量的效率和精度，降低安全風(fēng)險。因此，本文旨在探討三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中的應(yīng)用，為礦山勘探和開采提供重要的技術(shù)支持。

1三維激光掃描技術(shù)分析

1.1技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是一種高精度的地面測量技術(shù)。其原理是利用激光器發(fā)射激光束，記錄激光束與地面的反射時間，通過測量激光束的飛行時間來確定地面點(diǎn)的位置。通過高速旋轉(zhuǎn)的激光器和接收器，可以實(shí)現(xiàn)對地面的全方位掃描，從而獲取地面上各個點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)主要包括高精度、高效率和非接觸式測量。由于激光掃描儀的高頻率、高分辨率和快速數(shù)據(jù)采集能力，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的高精度測量，其測量精度可以達(dá)到亞厘米級甚至毫米級［3］。同時，激光掃描儀快速獲取數(shù)據(jù)的能力也使得測量效率大大提高，大大節(jié)省了測量時間和人力成本。此外，激光掃描技術(shù)是一種非接觸式測量方法，可以避免傳統(tǒng)測量方法中頻繁接觸測量對象可能造成的損壞或安全風(fēng)險。其原理如圖1所示。

距離測量的技術(shù)主要為脈沖測距法。脈沖測距法是一種基于激光脈沖飛行時間來進(jìn)行距離測量的技術(shù)。它通過發(fā)射單次激光脈沖，記錄激光反射回來的時間，測量光線傳播所需的時間差，并依據(jù)光速以納秒級的精度計算出激光在空間中的傳播距離［4］。

1.2技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：（1）高精度。三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)毫米級甚至亞毫米級的測量精度，可以精準(zhǔn)獲取地質(zhì)構(gòu)造、巖層分布等信息，為地質(zhì)測量和建模提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。（2）全方位覆蓋。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)的全方位、全角度的測量和建模，能夠獲取地下空間的全貌和細(xì)節(jié)信息，為地質(zhì)勘探和開采提供全面的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析。（3）高密度。在進(jìn)行作業(yè)時，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置一定的采樣間隔，從而獲取滿足密度需求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)［5］。

2礦山地質(zhì)點(diǎn)云三維重建

2.1三維重建流程

掃描作業(yè)流程主要分為4個階段：（1）前期準(zhǔn)備階段。主要的工作是進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，規(guī)劃掃描路線，選擇合理的位置，規(guī)劃大致的測站數(shù)量，初步確定參考標(biāo)靶擺放位置等踏勘工作。（2）數(shù)據(jù)采集階段。按照計劃方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集的過程中，若有不合理的地方要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改正，需要增加或刪減測站并做好記錄，以保證后期數(shù)據(jù)處理工作的順利開展；前期的主要任務(wù)是對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘調(diào)查、查閱資料，為后續(xù)的方案設(shè)計做準(zhǔn)備；后期利用專門的后處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（3）數(shù)據(jù)處理階段。數(shù)據(jù)處理過程比較麻煩，工序多且耗時繁瑣，因?yàn)樵趻呙璧倪^程中采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，所以對計算機(jī)的性能有一定的需求。（4）點(diǎn)云應(yīng)用。在數(shù)據(jù)處理階段將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。點(diǎn)云的應(yīng)用有很多方面，主要包括原始資料搜集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維建模、三維可視化、線畫圖繪制、虛擬可視化等［6］。

2.2貪婪三角化曲面重構(gòu)算法

（1） 利用最小二乘算法（MLS）進(jìn)行法線估計后的巷道點(diǎn)云重建：在實(shí)驗(yàn)過程中，大量灰塵會沉積在巷道的內(nèi)壁上，這些灰塵大多附著在巷道表面，使得表面內(nèi)壁產(chǎn)生多余噪點(diǎn)，這些點(diǎn)分布較為雜亂，導(dǎo)致巷道內(nèi)壁與其他盾構(gòu)構(gòu)件不平整，從而影響巷道模型的重建與修復(fù)。本文對精簡后的點(diǎn)云直接利用移動最小二乘法進(jìn)行平滑處理，之后對平滑后的點(diǎn)云進(jìn)行法線估計，形成一種有向點(diǎn)云類型數(shù)據(jù)，并將原始巷道點(diǎn)云內(nèi)壁和移動最小二乘算法處理后的點(diǎn)云進(jìn)行局部區(qū)域?qū)Ρ取?/p>

（2） 點(diǎn)云預(yù)處理及八叉樹優(yōu)化：在前面利用改進(jìn)的體素柵格精簡算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行重建，分別設(shè)定體素柵格為5 cm、7 cm、9 cm。

（3） 重建效果對比：貪婪三角化重建的巷道表面處理后生成的三角形邊長，邊長的閾值大小會影響算法的重建效果，因此選取的SearchRadius參數(shù)尤為重要，選取局部的一段巷道對其進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過三維表面重建后，對模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。將原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與最后的巷道模型生成轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對原始點(diǎn)云曲面重構(gòu)生成的模型做三維偏差分析。通過對表1的數(shù)據(jù)分析可知，原始模型的最大偏差為-0.258 2～0.170 5 m，平均偏差為-0.002 4～0.003 4 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.010 2 m；重建生成后的模型的最大偏差在-0.082 7～0.045 4 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為-0.001 5～0.008 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 3 m。兩種重建算法后得到高程范圍大致都是分布在-0.6～0.6 m之間，差別不大；改進(jìn)的重建算法對重建后模型統(tǒng)計的最近距離范圍在0.01～0.04 m區(qū)域平穩(wěn)，說明了重建后的模型質(zhì)量優(yōu)于貪婪三角化重建算法。

4結(jié)論

旨在探討三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中的應(yīng)用，通過對其原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用效果的深入分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在提高地質(zhì)勘探效率、降低勘探成本、改善測量精度和準(zhǔn)確性等方面具有重要意義，擁有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。因此，對于推動礦山地質(zhì)測量技術(shù)的創(chuàng)新和提高礦山地質(zhì)勘探效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

［1］潘廷鳳，王楠，王衛(wèi)東.三維激光掃描技術(shù)在礦山地質(zhì)測量中的應(yīng)用研究［J］.黑龍江環(huán)境通報，2024，37（6）：151153.

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［3］王靈梅.三維激光掃描技術(shù)在礦山采空區(qū)測量中的應(yīng)用分析［J］.世界有色金屬，2023（23）：127129.

［4］鄒江.三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道斷面測量中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2023，49（20）：184187，198.

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