三維激光掃描儀技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用研究

任社平

（西藏天圓礦業(yè)資源開發(fā)有限公司，西藏 日喀則 857000）

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，測繪技術(shù)也不斷朝著數(shù)字化高科技的方向快速發(fā)展，常規(guī)測量儀器和測繪技術(shù)已不能滿足當(dāng)前礦山生產(chǎn)建設(shè)的效率。三維激光掃描技術(shù)被譽為是繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[1]。作為一種新型的測量方法，在國內(nèi)外測繪領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。本文主要對三維激光掃描測繪技術(shù)在礦山測量中的實際應(yīng)用進行論述，為其在礦山測量中的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 礦山測量

礦山測量，是在礦山生產(chǎn)建設(shè)過程中，為礦山的勘查探礦、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)生產(chǎn)、安全監(jiān)測及生產(chǎn)運營管理等進行的各項測繪工作[2]。

①礦山測量工作內(nèi)容。主要包括：建立礦區(qū)控制網(wǎng)、測繪礦區(qū)地形圖及礦界；地上、下各項工程的施工及竣工測量、繪制各種采掘工程圖和礦山專用圖；承擔(dān)井巷工程和采掘工程質(zhì)量檢查及驗收測量；地表巖石移動、沉降及變形監(jiān)測；評價礦山采掘工程對地表環(huán)境影響和提供礦山安全生產(chǎn)等重要數(shù)據(jù)信息；地質(zhì)勘探和資源儲量管理等礦山開發(fā)建設(shè)各階段測繪工作。②礦山測量的主要作用。礦山測量工作涉及地面和地下不同的作業(yè)面，不但要為礦山開發(fā)建設(shè)工程服務(wù)，也要為安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)信息，以供礦山企業(yè)負(fù)責(zé)人對安全生產(chǎn)做出決策。礦山測量的任何疏忽都會影響生產(chǎn)建設(shè)，甚至有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。因此，礦山測量在礦山開采中的責(zé)任與作用重大。

2 傳統(tǒng)測量方法的缺點

①外業(yè)測量速度慢。傳統(tǒng)的全站儀和GPS-RTK測量儀器外業(yè)采集數(shù)據(jù)時，一次測量只能采集一個特征點的數(shù)據(jù)信息，外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度較慢，難以滿足目前現(xiàn)代化礦山快速發(fā)展的需要。②外業(yè)測量精度低。礦區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜，有陡峭的巖壁、高邊坡、危險的采空區(qū)等，運用傳統(tǒng)的測量儀器外業(yè)測量時，一般都需要測量人員親自接觸到這些危險的地物點獲取特征點數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)的礦山測量技術(shù)已影響到測量成果的可信度。③可視化程度低。傳統(tǒng)的礦山測量成果主要是依據(jù)所測地物細(xì)部點坐標(biāo)數(shù)據(jù)展繪的平、剖面圖，無法及時轉(zhuǎn)化成三維可視化的圖形，地勘和采礦技術(shù)管理人員不能在第一時間直觀的掌握礦區(qū)生產(chǎn)和建設(shè)的三維立體現(xiàn)狀圖。

3 基于三維激光掃描儀的測量技術(shù)

（1）基本工作原理。三維激光掃描測量技術(shù)的核心原理就是激光測距，工作過程實際上就是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理的過程，現(xiàn)場采樣點獲得的是系統(tǒng)局部坐標(biāo)，掃描儀的內(nèi)部為坐標(biāo)原點，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向；室內(nèi)可借助計算機完成從儀器的數(shù)據(jù)傳輸和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

（2）主要工作步驟。①首先，對測區(qū)實際狀況進行詳細(xì)的現(xiàn)場踏勘，收集測區(qū)已有的測量控制點，制定合理的施測方案。②其次，嚴(yán)格按施測方案進行外業(yè)掃描測量作業(yè)，根據(jù)測量精度要求和所測物體對象表面復(fù)雜程度設(shè)置掃描分辨率；每一測站完成掃描測量后，應(yīng)即時在現(xiàn)場初步分析數(shù)據(jù)質(zhì)量是否符合要求，檢查數(shù)據(jù)采集的密度和有無漏測的測區(qū)數(shù)據(jù)。③及時對當(dāng)天采集完成的點云數(shù)據(jù)進行傳輸和備份，并根據(jù)現(xiàn)場影像資料進行點云數(shù)據(jù)的拼接、去噪及坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一等預(yù)處理內(nèi)業(yè)工作。④最后，根據(jù)處理后的三維點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)成果，結(jié)合相應(yīng)計算機軟件形成三維模型圖或其他所需的專業(yè)圖件和數(shù)據(jù)信息。

4 三維激光掃描儀技術(shù)在礦山測量領(lǐng)域的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在礦山測量領(lǐng)域主要用在礦區(qū)地形圖測繪、不規(guī)則體建模及工程量計算、礦山儲量及工業(yè)廠區(qū)三維建模等。其中，不規(guī)則體主要指：露天采場、爆破平臺（爆堆量）、邊坡，地下采空區(qū)、巷道及尾礦庫區(qū)、廢石堆場等。技術(shù)應(yīng)用主要介紹如下：

（1）在礦區(qū)地形圖測繪中的應(yīng)用。①在地形圖外業(yè)測量作業(yè)時，可通過三維激光掃描儀無接觸的測量實現(xiàn)快速、高效的采集地物三維點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。②內(nèi)業(yè)工作時，及時按一定的格式輸出點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計算機數(shù)字化制圖軟件中；編繪等高線時，要注意剔除植被、地物等特征點數(shù)據(jù)，再運用處理后的點云數(shù)據(jù)自動生成等高線；需要對照照片進行人工編輯和調(diào)整、修飾等處理措施；最后添加高程注記，整理成圖。

（2）在不規(guī)則體建模及工程量計算中的應(yīng)用。①確定基準(zhǔn)面。②三維建模及工程量計算。

（3）在工業(yè)廠區(qū)三維建模。當(dāng)前，礦山工業(yè)區(qū)建筑物眾多，各類管線縱橫交錯，如要對其進行設(shè)計改造，需采用三維激光掃描測量技術(shù)，能快速形成可視化的三維模型圖，及時為礦山工程設(shè)計和規(guī)劃決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息資料。

5 三維激光掃描儀技術(shù)在礦山測量中的優(yōu)缺點分析

（1）優(yōu)點。①屬于非接觸測量，能夠?qū)θ我馕矬w進行掃描測量，尤其適于對露天采場、爆破平臺、巷道及尾礦庫區(qū)、廢石堆場等工程以及人員難以到達(dá)的測區(qū)目標(biāo)進行測量。②測量作業(yè)時為面采集模式?？梢栽诖_保精度的前提下快速、高效的采集到高密度的海量三維點云數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)格式兼容性好。④可在數(shù)碼相機、GPS等設(shè)備的配合下，拓展三維激光掃描儀在礦山測量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，更加全面、豐富、及時的實現(xiàn)對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的獲取。

（2）缺點。目前，我國在三維激光掃描儀測量技術(shù)的應(yīng)用方面主要存在以下不足：①引進時間較短，且配置全套設(shè)備所需費用較高，國內(nèi)自主研發(fā)的設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量尚需提升，暫時無法實現(xiàn)大范圍的應(yīng)用。②由于其測量原理所定，在控制測量、放樣測量及安裝測量等領(lǐng)域，存在一定的使用缺陷。③三維激光掃描儀外業(yè)測量作業(yè)時獲得的數(shù)據(jù)量大，對內(nèi)業(yè)處理的計算機軟、硬件要求高，內(nèi)業(yè)處理三維點云數(shù)據(jù)工作量大，耗時較長。④三維激光掃描測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理平臺等方面尚需進一步完善。

6 結(jié)語

通過以上論述，可以看出，三維激光掃描測量技術(shù)可實現(xiàn)非接觸、高密度、安全、可靠的獲取所測實物的數(shù)據(jù)信息，顯著的提高了外業(yè)測量效率，是目前快速采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)最先進的技術(shù)之一，在礦山測量中具有很好的應(yīng)用前景。但目前在設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用范圍等方面還存在不足。因此，三維激光掃描測量技術(shù)需加快具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度儀器的研發(fā)；不斷完善數(shù)據(jù)處理平臺軟件和相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡快實現(xiàn)在礦山測量工作中的廣泛應(yīng)用。