三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

楊彥軍，汪虎福，王 瑞

（1.都蘭金輝礦業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000；2.青海省金礦資源開發(fā)工程技術(shù)研究中心，青海 格爾木 816000）

礦山工程是我國國土資源方面的關(guān)鍵性工程，其開采工作的順利與否直接關(guān)系著我國礦產(chǎn)資源的供應(yīng)情況；三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代礦山開采工作中的新技術(shù)，成功的解決了地質(zhì)勘查工作者在礦山工程測量方面的問題。鑒于此，本文以三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用為主要研究對象，重點(diǎn)講述礦山測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，旨在對推進(jìn)礦山持續(xù)健康發(fā)展有所助益。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

在上世紀(jì)90年代中期，三維激光掃描技術(shù)開始出現(xiàn)，該技術(shù)是一項(xiàng)非常先進(jìn)的高新技術(shù)，是GPS技術(shù)之后，又一項(xiàng)新的測繪技術(shù)手段，在測量過程中，利用高速激光掃描技術(shù)手段，能夠?qū)y量對象展開高分辨率，大面積的快速測量工作，獲得測量對象的相關(guān)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能夠?qū)臻g點(diǎn)位信息展開快速大量測量，為測量對象三維影像模型構(gòu)建提供了良好的技術(shù)支撐，三維激光掃描技術(shù)不僅測量迅速，而且具有測量精度高，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的效果，測量過程中不用于測量對象進(jìn)行接觸，自動(dòng)化水平非常的高，是測量技術(shù)領(lǐng)域一次新的技術(shù)革命[1]。

通過三維激光掃描技術(shù)對測量物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過程中，可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體三維幾何模型的構(gòu)建，由于應(yīng)用對象的不同，點(diǎn)云數(shù)據(jù)也存在很大不同，利用三維激光掃描技術(shù)處理數(shù)據(jù)過程當(dāng)中，所音樂的方法也存在一定差異。對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而言，主要包括采集數(shù)據(jù)以及預(yù)處理數(shù)據(jù)，重建幾何模型和進(jìn)行模型可視化。為了重建模型，首先必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理之后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)將更加的精準(zhǔn)可靠，重建模型過程當(dāng)中，復(fù)雜程度便會(huì)得到有效降低，使重建模型的速度以及精確度得到很好保障，預(yù)處理數(shù)據(jù)過程當(dāng)中，主要是縮減點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的濾波，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，或者配準(zhǔn)與融合等。從建模型過程中主要包括重建三維模型以及保證模型的平滑性，處理成缺的數(shù)據(jù)以及簡化模型，紋理映射等工作。具體應(yīng)用階段，需要對該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)給予充分考慮，并充分分析建模需求，選擇合適的方法與策略來處理相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展背景下，對于礦山安全生產(chǎn)的要求也在逐步提升，過去應(yīng)用的礦山測量手段，現(xiàn)已很難滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求。將三維技術(shù)應(yīng)用于礦山測量當(dāng)中，并與現(xiàn)代信息技術(shù)手段充分結(jié)合，能夠針對地區(qū)實(shí)際構(gòu)建相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)庫，或者構(gòu)建礦山數(shù)字化模型?；诘刭|(zhì)模型與數(shù)據(jù)庫，可以對礦區(qū)三維地址數(shù)據(jù)充分了解和掌握，更好地指導(dǎo)礦山采礦以及安全防護(hù)工作，為保障企業(yè)安全生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

在測繪領(lǐng)域當(dāng)中，三維激光掃描技術(shù)近年來應(yīng)用不斷普遍起來。特別是一些環(huán)境監(jiān)測以及工程監(jiān)測城市建設(shè)以及礦山采空區(qū)監(jiān)測等應(yīng)用越來越普遍。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)在五龍溝礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用，大大提高了檢測的數(shù)字化水平與可視化水平，為礦山生產(chǎn)提供了有效的指導(dǎo)作用。當(dāng)前，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也獲得了極大的提升，而且計(jì)算機(jī)硬軟件的不斷發(fā)展和三維建模方面的研究逐漸深入，促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用更加普遍起來。

3 礦山測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 測量主要任務(wù)

利用三維激光掃描技術(shù)對五龍溝金礦采空區(qū)塌陷區(qū)治理中發(fā)揮了巨大的作用，特別在礦區(qū)數(shù)字化大比例尺地形圖測繪過程中發(fā)揮的作用非常巨大，通過三維數(shù)字化技術(shù)對礦區(qū)采空區(qū)塌陷區(qū)開展相應(yīng)監(jiān)測工作進(jìn)行數(shù)字模型構(gòu)建，更好地治理采空區(qū)塌陷問題[3]。

3.2 研究內(nèi)容

此次監(jiān)測過程中利用的三維激光掃描儀為RIEGL（瑞格）VZ-2000型。在確保人眼安全操作前提下，利用該技術(shù)手段進(jìn)行2000m自然表面遠(yuǎn)距離掃描，95萬點(diǎn)/s激光發(fā)射速度，達(dá)到5mm以下的測量精度，不僅可以在線處理波形同時(shí)還有回?fù)軘?shù)字化功能，能夠接收多回波，對多個(gè)目標(biāo)展開識(shí)別，在很多方面的應(yīng)用都發(fā)揮著非常重要的作用。

3.3 野外數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

針對五龍溝礦區(qū)采空區(qū)以及地表塌陷區(qū)開展相應(yīng)的測量工作，通過三維掃描進(jìn)行模型構(gòu)建，同時(shí)少苗參照點(diǎn)，詳細(xì)而又全面的對采空區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，同時(shí)獲取塌陷區(qū)以及尾礦庫實(shí)際情況，并進(jìn)行相應(yīng)模型構(gòu)建。在該技術(shù)支持下，能夠?qū)ΦV區(qū)測量對象空間，實(shí)體幾何位置數(shù)據(jù)進(jìn)行全面獲取，同時(shí)還能對點(diǎn)云發(fā)射密度值進(jìn)行獲取。

參照點(diǎn)具有很強(qiáng)的反射作用，可以更好的確保站點(diǎn)拼接以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確度，各個(gè)站應(yīng)當(dāng)進(jìn)行四個(gè)高強(qiáng)度反射點(diǎn)布設(shè)，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)之后，通過RisCANPRO軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)開展處理工作，并最終形成DEM模型和生成地形圖。由于各個(gè)項(xiàng)目在應(yīng)用價(jià)值與目的上存在很大不同，可以進(jìn)行各種形式數(shù)據(jù)輸出，構(gòu)建DEM模型和生成不同的地形圖，分析其利用價(jià)值，空間數(shù)據(jù)生成之后，為相關(guān)工程應(yīng)用提供有效的參考作用。

4 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）高數(shù)據(jù)采樣率?？梢詫δ繕?biāo)實(shí)體空間信息及時(shí)進(jìn)行獲取，測量過程中超過2000m的自然表面遠(yuǎn)距離掃描以及達(dá)到95萬點(diǎn)/s激光發(fā)射速度，優(yōu)于5mm的測量精度，能夠及時(shí)的獲取測量物體空間三維數(shù)據(jù)，對實(shí)體表面三維信息可以動(dòng)態(tài)化進(jìn)行測定。

（2）三維激光掃描技術(shù)在測量過程中具有主動(dòng)性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)性的效果，外部氣壓以及光照條件，不會(huì)對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用造成限制，可以動(dòng)態(tài)化、實(shí)時(shí)性的對實(shí)體目標(biāo)開展相應(yīng)測量工作。

（3）非接觸性。三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用過程中是利用激光信號(hào)發(fā)射，對測量物體返回信號(hào)進(jìn)行接收，來獲取和測量目標(biāo)表面信息數(shù)據(jù)，測量過程中，不需要人對測量物體進(jìn)行直接接觸，所以，該項(xiàng)技術(shù)在一些危險(xiǎn)區(qū)域，如地表塌陷和礦山采空區(qū)方面的測量發(fā)揮著重要的作用。

（4）穿透性。三維激光掃描技術(shù)還具有激光穿透性的特點(diǎn)，如果植被不是非常濃密，可穿透這些植物來對實(shí)體表面開展相應(yīng)測量，并對渠點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)獲取，并將物體表面幾何信息充分地反映出來，進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建。

（5）三維激光掃描技術(shù)還具有密度大，精度高的特點(diǎn)，可以針對目標(biāo)展開大面積空間測量，通過直接掃描目標(biāo)來對其特征進(jìn)行描述，發(fā)揮農(nóng)民網(wǎng)格以及龐大點(diǎn)云的作用來對目標(biāo)信息進(jìn)行及時(shí)獲取，對目標(biāo)三維立體模型進(jìn)行構(gòu)建，充分地反映其形態(tài)。

（6）在實(shí)際應(yīng)用過程中，三維激光掃描技術(shù)不僅做月效率快，而且應(yīng)用周期的，具有非常強(qiáng)的時(shí)效性，大大降低了工作過程中的勞動(dòng)力投入，使成本得到了有效控制，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

5 應(yīng)用情況分析

在五龍溝礦區(qū)應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，開展相應(yīng)的測量工作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量工作存在的不足，過去在地表塌陷區(qū)以及采空區(qū)，很難進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，這些問題得到了很好解決，對指導(dǎo)礦山生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用，更有效降低了安全事故發(fā)生率，這對礦山企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展是非常有利的。