三維激光掃描技術在礦山測量中的應用與研究

王 群

（安徽省地質礦產勘查局326地質隊，安徽 安慶 246003）

我國正處于快速發(fā)展時期，對于礦山的開采和測量也將面臨新的機遇。礦山測量包括地面測量和地下測量。礦山測量的任務是建立地形控制網絡，并繪制礦山地形圖，測量礦山的地面連接，實現(xiàn)礦場及各種工程的施工控制和測量等。隨著科技的發(fā)展和礦山的建設要求，傳統(tǒng)的礦山測量已經不能滿足生產建設需求。因此，將三維激光掃描技術應用于礦山測量中，使礦山測量工作更先進精確，在礦山開發(fā)建設中具有一定的推廣應用意義。

1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術是利用激光信號檢測物體，向檢測區(qū)域發(fā)送信號，根據信號的旋轉計算距離，準確記錄坐標的對象。將掃描得到的數(shù)據計算得到的離散云點組合成三軸坐標，以此來確定物體的反射強度值。三維激光掃描系統(tǒng)屬于高精度測量范疇，根據三維值對被測區(qū)域進行三維建模得到數(shù)據，可以快速計算實體的空間狀態(tài)和變化。大多數(shù)傳統(tǒng)測量只能測量定點坐標，在技術應用中不能快速計算三維狀態(tài)。在礦山測量中應用三維激光掃描技術可以實現(xiàn)對物體變化的監(jiān)測，使工程項目管理或施工可準確檢測現(xiàn)場情況，將掃描獲得的數(shù)據傳輸至計算機和分析系統(tǒng)。隨著三維激光掃描技術設備的創(chuàng)新，可以將設備安裝在移動的車輛或飛機上，增加了激光測試距離。傳統(tǒng)的檢測方法，生成的點云數(shù)據不夠準確。三維激光掃描技術可實現(xiàn)任意點，確保數(shù)據收集的質量。三維激光掃描技術可直接掃描點云數(shù)據，無需接觸目標物體，提高檢測的安全質量。該技術應用還可對大目標進行采集數(shù)據，并且檢測準確率極高，三維激光掃描數(shù)據更加直觀。

2 三維激光掃描技術應用特點及應用優(yōu)勢

在礦山測量中應用三維激光掃描技術，具有精度高和測量全面等優(yōu)點。三維激光掃描技術脈沖掃描儀，采用高數(shù)據采樣頻率，測量速度較高，相位掃描儀速度達到120萬點/秒。測量速度突出單點模式，獲得更多區(qū)域的信息。并且該技術在礦山測量中的應用受外界影響較小。在傳統(tǒng)的工程中，測量設備采用無線傳輸進行數(shù)據傳輸，容易受到天氣和外界的影響，無線傳輸也存在不穩(wěn)定性和信號延遲。三維激光掃描技術可防止信息傳輸延遲、傳輸丟失和信號干擾等。常規(guī)測量技術和衛(wèi)星測量得到的測量是二維平面，三維測量需要結合其他測量操作，存在效率低的情況，并且測量誤差率較高。在礦山測量中應用三維激光掃描技術，通過在初始階段識別目標并測量相關數(shù)據，生成三維測量數(shù)據。通過對數(shù)據的后續(xù)演變趨勢的分析，針對性地提出處理措施，為后續(xù)實施提供技術支持。穩(wěn)定性是三維激光掃描技術的突出優(yōu)勢，技術以固定目標為主要點，實現(xiàn)對區(qū)域的測量，從而形成完整測量圖像。三維激光掃描技術可在短時間內獲取三維點云數(shù)據，提高了工程測量工作效率。利用全站儀的定位，從絕對坐標下的點云中采集數(shù)據，然后利用該點云，通過軟件添加數(shù)據，可在測量的同時接收來自點云的數(shù)據。應用地圖獲取真實模型，可通過PC端完成所有任務。生成的點云數(shù)據可以與仿真軟件很好的對接，為數(shù)字化挖掘和管理提供數(shù)據，提供準確的斷面圖和開挖物理模型。

3 三維激光掃描技術應用

3.1 礦山測量技術應用分析

三維激光掃描技術是對空間中的物體進行全方位的掃描，以獲取準確的區(qū)域或物體數(shù)據。在重建對象模型后創(chuàng)建掃描技術。通過非接觸式測量，快速實現(xiàn)自動檢測。與傳統(tǒng)測量相比，三維激光掃描可以具有更高的精度。該技術是通過對目標數(shù)據進行分析，并整合散點坐標，以連接起來形成三維信息，實現(xiàn)更可靠的數(shù)據，并且真實性比較高。三維激光掃描技術實現(xiàn)采礦中的精準管理，還可以通過查詢和分析來自礦山的信息，從礦山的3D模型中查詢數(shù)據。對模型進行分析，檢測到目標隨著變化而移動，有利于保護礦工的安全。在礦山開采前，進行初步的測量，以準確驗證測量位置。該技術是全球定位系統(tǒng)的形式之一，礦山測量中也是具有準確的測量技術。礦山信息的測量是整個測量改進的重要任務之一，以計算機技術為基礎，對信息統(tǒng)計數(shù)據進行存儲和管理。相較于傳統(tǒng)礦山測量，有效的節(jié)省了測量工作量。

3.2 數(shù)據收集

在礦山測量三維激光掃描技術應用中，需要通過從探測區(qū)域采集數(shù)據，掃描設備可以結合數(shù)字技術，將信息轉化為準確的圖像，提高圖像的分辨率和清晰度?？梢詼蚀_地掃描區(qū)域或物體，并根據掃描前的控制點從定義范圍內的數(shù)據中收集信息。按照衛(wèi)星定位測量技術規(guī)范，利用高度共同點掃描儀器假設區(qū)域，將目標獲得的點云數(shù)據組合，從而在計算機上創(chuàng)建點云圖像，并轉換為剖面和垂直剖面。利用全站儀對掃描得到的數(shù)據信息進行檢測，以確保數(shù)據的準確性。

3.3 區(qū)域特征提取

在根據條件匯總點云數(shù)據生成結果時，可以直接從點云結果結合坐標點的數(shù)據推斷，讓點云圖像有更多的信息。還可以按照設計公里數(shù)劃分點云，劃分區(qū)域。從每個現(xiàn)場收集點云數(shù)據，轉換分區(qū)結果。第二種方法雖然耗時，需要將區(qū)域分開，但可以保證檢測的準確性。通過不同的區(qū)域，可以檢測數(shù)據的相似性。確定相鄰區(qū)域的位置，直到生成的數(shù)據相同。為了從測量區(qū)域提取特征值，應用三維激光掃描技術掃描獨立的坐標系。為了提高坐標轉換的效率，配置相應的控制網絡，使用水平儀和全站儀創(chuàng)建坐標系。將三維坐標系與激光掃描數(shù)據進行對比，將同一區(qū)域的數(shù)據與坐標進行對比，實現(xiàn)閉環(huán)控制的應用優(yōu)勢。采取多地勘察模式，科學布置周邊控制點，確保不同的站點與目標相連。明確無差異值后，將坐標系輸入計算機，提供點云數(shù)據成像[1]。

3.4 井下和地面數(shù)據傳輸

在礦山井下無法接收來自地下的GPS信號，造成了缺乏信息驗證和傳輸不穩(wěn)定的情況，這需要三維激光掃描無人機在目標區(qū)域運行，此過程安全高效運行是關鍵。因此，在數(shù)據傳輸中，地下信號受環(huán)境影響微弱，對于遠距離傳輸受限。采集到點云中的數(shù)據量較大。為確保復雜環(huán)境下的穩(wěn)定數(shù)據傳輸，無人機能夠安全高效地運行，需要穩(wěn)定的數(shù)據傳輸和智能設備技術。傳統(tǒng)的井下測量已不能滿足生產需要。使用無人機安裝的三維激光掃描儀，利用激光的距離來實現(xiàn)測量。面對凹凸不平的區(qū)域，如果突如其來的障礙使設備難以避開，容易發(fā)生碰撞。當無法實現(xiàn)自主飛行時，依靠人員或無人機操作手動完成掃描儀操作。由于礦區(qū)空間限制，粉塵較大和視線較差，掃描檢測難度增加。因此，需要克服復雜地下環(huán)境下的無人機避障技術，提高設備使用的安全性，降低實際測量的操作難度。為了使三維激光掃描技術儀數(shù)據在地形測量中準確性，需要在地面采用移動快速掃描，采用封閉路徑法。掃描前，將目標球作為掃描控制點分布，方便下一步對點云數(shù)據坐標變換，將其精度與地圖地形進行比較。使用移動手持掃描根據規(guī)劃的路線掃描。掃描過程可以輕松完成。這種高工作效率消除了傳統(tǒng)測量的工作局限。掃描完成后，連接掃描儀驅動USB數(shù)據接口自動導出點云數(shù)據，使用專業(yè)軟件對點云數(shù)據進行預處理。將預處理后的點云數(shù)據導出到軟件進行處理，包括去噪、坐標轉換、地形映射和圖形輸出等，直接生成3D模型。為了在測量地面地形時驗證掃描數(shù)據，三維激光掃描技術用于快速掃描和覆蓋區(qū)域。掃描1公里長的路線。在掃描前，目標集合體作為控制點均勻分布，便于后期對數(shù)據進行坐標變換，與當前地形圖進行對比。根據規(guī)劃的路線快速掃描，掃描可以由一人輕松完成。高工作效率消除了傳統(tǒng)測量的操作限制。掃描后直接在掃描儀數(shù)據傳輸中使用自動導出點云數(shù)據，使用專業(yè)軟件在對點云數(shù)據進行預處理。最后將處理的點云數(shù)據導出到軟件進行處理，包括坐標轉換、點云分類和圖形輸出，直接生成三維模型[2]。

3.5 井下巷道掃描

礦井巷道施工是礦山生產前的重要工序，巷道施工對后續(xù)設計和爆破有著重要的影響。準確測量和模型的創(chuàng)建是采礦設計的主要依據，也是礦山建設的業(yè)務需求。要想準確的反映地下道路的情況，激光掃描技術是最好的選擇。三維激光掃描技術可以以高速的點云數(shù)據的掃描速度快速準確地進行測量，包括巷道的細節(jié)都在變化。為測試三維激光掃描技術在礦井中掃描數(shù)據提供了準確性和可靠性。工作流程類似于掃描地面，不同之處在于目標的方式。井下所有測量控制點均布置在路頂，然后使用專業(yè)軟件進行預處理云數(shù)據、降噪、創(chuàng)建三角剖分和生成模型[3]。

3.6 礦山開采中的應用

三維激光掃描技術在礦山開采測量應用中，需要使用脈沖三維激光掃描儀測量數(shù)據，并將采集到的數(shù)據以點云形式傳輸?shù)浇K端設備中，進行存儲。終端處理器可以用于將數(shù)據轉化為點云數(shù)據，并通過去噪、透視和數(shù)據處理等步驟重建三維物體圖像。在這個過程中，利用三維激光掃描技術，有效的體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術在礦山測量工程中的應用發(fā)展水平，實現(xiàn)了現(xiàn)代化技術與信息化的結合。降低了傳統(tǒng)礦山測量工程的開發(fā)應用成本，而且提高了測量數(shù)據的實效性和精度。進一步推動礦山智能化開采和三維激光掃描技術的應用發(fā)展。點云數(shù)據處理是基于測量的三維坐標，利用定位系統(tǒng)技術和掃描技術轉換為另一個坐標。該技術的應用實現(xiàn)了參數(shù)轉換，坐標數(shù)據之間的掃描技術測得的距離和角度受到限制。在地形復雜的礦山中三維激光掃描儀需要進行全方位多角度的進行掃描，以獲得與點云中相匹配的完整的空間信息。3D激光掃描技術在礦山開采測量中的應用精度非常高，但操作者誤差、測量點誤差和點云算法的誤差等，都會直接影響測量點之間的點云中的數(shù)據。這些誤差的累積會導致測量邊緣三維坐標較大的誤差。因此，在礦山開采測量工作中，需要對多點云數(shù)據進行詳細的驗證[4]。

3.7 三維激光掃描在采空區(qū)的應用

三維激光掃描技術在不斷改進，在測繪勘探行業(yè)具有良好的研究價值。地下采區(qū)空空間較為復雜，形狀不規(guī)則，無GPS信號，無人機飛行中的信息采集與定位，自主無人機抗干擾、航線規(guī)劃和數(shù)據傳輸?shù)却嬖谝欢ǖ碾y度，無人機設備軟件運用更加復雜，智能控制相關技術運行中存在的難點。無人機上三維激光掃描的數(shù)據采集和智能控制技術，無人機無法接收GPS信號，只能依靠制導系統(tǒng)來確定設備運行狀態(tài)，以獲得高精度飛行狀態(tài)和速度。在控制系統(tǒng)下，無人機無法對光束場大和深度大飛行進行自主檢測。因此，需要安裝3D激光掃描儀的抗干擾技術，傳統(tǒng)的礦井光束測量無法滿足需求。主要是使用無人機安裝的激光掃描儀來檢測光束。掃描儀使用激光范圍實現(xiàn)避免干擾，適用于簡單和規(guī)則的環(huán)境障礙。在地下不規(guī)則的情況下，突如的障礙物難以避免。如果無法實現(xiàn)自主飛行，則要由測量員或操作員手動執(zhí)行掃描儀操作。由于提取區(qū)域的面積有限，對于井下空采區(qū)空間的灰塵較大，在三維激光掃描中視野較差，掃描和檢測復雜性正在增加。因此，需要克服在地下環(huán)境惡劣的環(huán)境下自主避讓的技術，提高三維激光掃描設備的安全性，降低實際測量工作的難度。目前，無人機航路已在地面上成熟，但由于地下空采區(qū)復雜環(huán)境影響，無法完全自主規(guī)劃，這需要配備三維激光掃描儀。當無人機在飛行中遇到障礙物，需要解決障礙物時，全局軌跡規(guī)劃使無人機難以控制，造成設備損壞，迫需要探索并討論路線規(guī)劃。井下激光掃描儀數(shù)據傳輸穩(wěn)定，但是無法接收GPS信號，缺乏有效的信息驗證，同時存在數(shù)據傳輸不穩(wěn)定。因此，需要配備三維激光掃描儀的無人機在突出區(qū)域作業(yè)安全有效操作。在數(shù)據傳輸中，信號受環(huán)境影響較弱，傳輸有限。云數(shù)據點采集量很大，可以獨立安全地運行，并為研究實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據傳輸，支持智能技術，以確保復雜環(huán)境下長距離數(shù)據傳輸。市場上的無人機視覺還不是很成熟。針對復雜的井下空采區(qū)環(huán)境，三維激光掃描技術采用空間位置方法、特征檢測方法、圖像差分算法和優(yōu)化算法等，可以有效的智能控制和實時感知環(huán)境。一旦三維激光掃描技術完全投入使用，必須配備3D激光掃描儀、光學傳感器、紅外攝像頭和電池，這會增加設備運行的重量。這對無人機使用壽命有巨大的影響，在運行中由于負載過大，運行存在一定的風險因素。因此，為了減輕三維激光掃描儀無人機的負擔，必須解決技術運行中的負載問題。

4 某工程露天監(jiān)測三維激光掃描技術的應用

隨著國家對礦山安全的重視，礦山測量工作將不斷的向數(shù)字化發(fā)展。為順應數(shù)字化測量應用趨勢，某礦山露天開采中要完成采掘方量的結算、穩(wěn)定性分析及尾位移沉降監(jiān)測，并根據三維激光掃描技術，建立各區(qū)域模型。在每個測量站進行三維激光掃描，掃描通過遙測系統(tǒng)傳輸?shù)教幚碇行摹Ｔ谔幚碇行?，使用軟件讀取數(shù)據，選擇方式保存各站數(shù)據，得到坐標點的云數(shù)據。使用軟件的過濾和縮小過濾掉不同數(shù)據重疊的區(qū)域。通過掃描對采集到的點云數(shù)據建模，創(chuàng)建露天礦模型。比較周期數(shù)據模式，得到測量周期的變化面積，使用體積計算功能計算開挖量。為了獲得區(qū)域內數(shù)據，使用掃描系統(tǒng)并與地形進行比較。如圖1所示，點云可以準確地描述地形。巖土邊坡分析利用掃描系統(tǒng)獲取云數(shù)據，計算區(qū)域的反射率和紋理，使用巖土分析系統(tǒng)。顯示節(jié)點結構的統(tǒng)計分析，檢測結構的弱平面。在監(jiān)測現(xiàn)場埋設監(jiān)測哨，在監(jiān)測哨上安裝掃描儀，嘗試連續(xù)掃描，并通過無線基站在系統(tǒng)之間安裝和連接無線基站網絡。在軟件中確定用于穩(wěn)定性監(jiān)測和預警的區(qū)域。根據掃描儀采集的數(shù)據，自動繪制應變和剪切曲線，創(chuàng)建剪切云的三維圖。如觀景期間天氣惡劣，應提前更換掃描儀觀景。調整掃描儀的位置，使頭面向前窗。安裝避雷針和電網等電位接地裝置，構建防雷系統(tǒng)。除了安裝氣象站外，還可以了解現(xiàn)場的天氣情況。垃圾填埋場監(jiān)測將掃描系統(tǒng)連接到軟件，通過軟件控制掃描儀采集現(xiàn)場數(shù)據，軟件自動清除植被。定義評估區(qū)域，將區(qū)域數(shù)據與設計進行比較分析，包括橫截面、輪廓交點、設計偏差、開挖偏差范圍和尺寸查詢等。軟件會自動生成關于施工和設計檢查結果報告。報告稱，結果不斷更新，并根據偏差進行調整。在礦山開采中，會挖出大量的土壤，對于開挖出來的土就變成了廢物。開采后廢物必須進行運輸。利用三維激光掃描技術進行測量，可以預測其數(shù)量。在測量時，三維激光掃描以土壤為測量目標，隨著時間測量距離，完成對物體位置的確定。確保測量距離和數(shù)量采集，合理應用點云中的數(shù)據應用和數(shù)據計算。測量采用三維激光掃描，以地面反射數(shù)據、脈沖信號為基本應用測量條件，調整三維坐標，結合三維圖像實現(xiàn)轉換，計算出廢物量。結果可以準確計算利用率，節(jié)省大量的計算時間和運輸成本，有效提高了整個項目的效率。

圖1 地形點云數(shù)據與實際對比

5 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在礦山測量中的應用具有快速和精度高的優(yōu)點。三維激光掃描技術可以滿足對大面積地形圖勘察的需求，還可以進行采礦巷道的實物測量。因此，在礦山測量中的應用，具有一定的推廣意義。