礦山測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

鄭祖發(fā)，杜力立

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是利用激光進(jìn)行快速掃描，來對目標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的測量，測量過程具有持續(xù)性和全面性的特點。測量目標(biāo)的空間信息可以通過此技術(shù)完成快速獲取，并且目標(biāo)坐標(biāo)信息的獲取量較大，測量信息的精準(zhǔn)性也可以得到保證，有利于構(gòu)建出測量目標(biāo)的三維立體模型，模型的精準(zhǔn)程度也比較高。

激光測距原理和網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)字建模技術(shù)是實現(xiàn)對目標(biāo)測量和建模工作的兩種核心技術(shù)。①激光測距與人工測距相對比來說精準(zhǔn)度更高，使用連續(xù)激光器或者脈沖激光器將光發(fā)射出去，通過光反射原理實現(xiàn)精準(zhǔn)測量，三維激光掃描誤差較小，并且可以對側(cè)面目標(biāo)點位的信息進(jìn)行獲取，不僅可以有效避免人工測量造成的誤差，還能夠有效解決單點測量信息量不足的問題，使用三維激光掃描技術(shù)創(chuàng)建出的模型與實際地形基本保持一致，分辨率也比較高[1]。②通過激光測距可以獲取到大量信息，對這些進(jìn)行處理時就可以用到網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和數(shù)字建模技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以將三維激光掃描設(shè)備獲取到的信息進(jìn)行傳輸，然后集中整理，并且在數(shù)字建模軟件中輸入這些信息，可以實現(xiàn)自動化建模，讓建模工作的效率得到大幅提升。

2 礦山測繪分析

準(zhǔn)確率高和方便快捷是三維激光掃描技測繪技術(shù)最為主要的特點，三維激光掃描測繪技術(shù)的測量方法是架設(shè)三腳架來完成礦山各方面數(shù)據(jù)的采集工作，并且將測量得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡單高速處理，以此獲取礦山的三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描測繪技術(shù)的有效應(yīng)用能夠?qū)⒌V山外部的建站時間進(jìn)行較大程度的縮減，十分高效的完成礦山內(nèi)部和外部的三維模型建立工作，與傳統(tǒng)的人力測繪技術(shù)相比較來說，具有很好的展示礦山情況的優(yōu)點，有利于礦山測繪工作效率的提升。

在進(jìn)行礦山開采測量工作中，必須要保證控制點的精度準(zhǔn)確性，測量工作人員需要科學(xué)的控制礦山測量的精度，確保礦山測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。平面控制網(wǎng)根據(jù)礦山的范圍大小和現(xiàn)場實際條件，選擇不同等級的GPS控制網(wǎng)作為首級控制網(wǎng)，再采用不同等級的導(dǎo)線點進(jìn)行加密，導(dǎo)線測量時，盡量將GPS點作為已知點加以測量，按照閉合導(dǎo)線的要求測量，平差以后的成果才有更高的精度。高程控制測量根據(jù)精度需要，選擇不同的測量等級，一般情況下，采用三角高程和水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行高程控制測量。

礦山測量技術(shù)是屬于GPS技術(shù)的一種，具有非常高的數(shù)據(jù)測量精度，在礦山局部的數(shù)據(jù)測量過程中，能夠?qū)ΦV山數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的收集與更新，既可以實現(xiàn)對礦山局部的測量，又能夠完成礦山整體數(shù)據(jù)的測量。對礦山測量的信息系統(tǒng)不斷進(jìn)行完善，讓礦山維護(hù)、儲存和管理功能得到進(jìn)一步提升，從而實現(xiàn)礦山的科學(xué)化管理。

3 礦山測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

由于三維激光掃描技術(shù)具有高效性、便利性和高精度三個特點，在礦山測繪工作中應(yīng)用此技術(shù)就有很大優(yōu)勢。

3.1 高效性

利用三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)吸c位信息實現(xiàn)快速獲取，僅需要幾毫秒的時間，并且對實施環(huán)境沒有太高的要求，具有較長的有效測量距離，也不需要太復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，幾分鐘內(nèi)就可以完成測量前的準(zhǔn)備工作，在具體的測量過程中也可以實現(xiàn)自動化測量，整體測量工作可以在數(shù)小時內(nèi)完成，此外，在測量過程中工作人員無需近距離接觸測量目標(biāo)，有利于前期的準(zhǔn)備時間進(jìn)一步縮短。

3.2 便利性

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的三維激光掃描設(shè)備，基本都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動化輸出，通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)能夠直接完成數(shù)據(jù)傳輸工作，使得人工處理數(shù)據(jù)的工作量得到降低，大大提升了礦山測繪工作的效率。

3.3 高精度

三維激光掃描技術(shù)具有掃描距離遠(yuǎn)的特點，并且在實際測量過程中得到的點位數(shù)據(jù)誤差非常小，一般情況下都會低于2mm，所以在開展測量工作時無需特意處理測量目標(biāo)表面，也不需要驗證核對測量后所得到的數(shù)據(jù)信息，可以直接對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行利用，有效避免了人工處理數(shù)據(jù)信息可能會出現(xiàn)誤差的問題。

4 三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用

4.1 三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

三維掃描技術(shù)在礦山測繪中主要應(yīng)用在以下三種領(lǐng)域中：①未開采或已經(jīng)開采礦區(qū)的三維模型構(gòu)建，可以直接利用礦區(qū)地表點位數(shù)據(jù)云對未開采礦區(qū)進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，過程較為簡單，相對比來說，已經(jīng)開采的礦區(qū)模型建立就比較復(fù)雜，首先需對礦區(qū)進(jìn)行掃描，在這個掃描的過程中需要將三維測量設(shè)備安置在礦區(qū)巷道內(nèi)，進(jìn)行巷道模型的構(gòu)建，而此模型構(gòu)建的過程與外部三維模型構(gòu)建相對比來說速度較慢，效率不高，造成這種情況的主要原因是受到外部測量條件的限制較大。雖然效率較慢，但它具有較高的安全性，確保整個測量過程中不會出現(xiàn)安全危險。②礦區(qū)開挖體積計算，主要是在露天開采的環(huán)境中應(yīng)用，對于露天礦區(qū)來說，開采位置和非開采位置之間存在較大區(qū)別，區(qū)域特性可以通過激光掃描技術(shù)來進(jìn)行識別，能夠有效將需要開挖的體積進(jìn)行確定[2]。此外，對分時模型進(jìn)行有效利用可以進(jìn)行對比觀察，能夠?qū)⒌V山開采的測量時間點和已開挖體積進(jìn)行進(jìn)一步的確定，具有比較高的計算精度，得出的結(jié)果也可以在開采計劃、開采產(chǎn)量和產(chǎn)能等方面進(jìn)行有效運用。③對于采空區(qū)的整理和防護(hù)，礦山開采會對自然環(huán)境造成較大的破壞，尤其是采空區(qū)存在更大的危險，采空區(qū)可以為作業(yè)人員的人身安全帶來嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)難以在采空區(qū)進(jìn)行有效利用，也存在較大的人身安全風(fēng)險，而三維激光掃描技術(shù)可以對這種障礙進(jìn)行有效消除，實現(xiàn)對采空區(qū)的精準(zhǔn)測量，并且可以把技術(shù)支持提供給采空區(qū)的實時監(jiān)控工作，從而使作業(yè)過程中安全風(fēng)險大大降低。

4.2 三維激光掃描技術(shù)基本應(yīng)用流程

三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用分為下面三個環(huán)節(jié)：①通過三維激光掃描設(shè)備對礦山的點位信息、測量面以及地質(zhì)信息等進(jìn)行快速獲取。首先，利用人工觀察將礦山的大致地質(zhì)環(huán)境確定下來，將掃描設(shè)備的測繪參數(shù)設(shè)定好，比如探頭、待采礦藏和實際執(zhí)行范圍等，確保礦山位置信息能夠通過測繪信息反映出來。接下來進(jìn)行激光掃描，對礦山待測面的三維點位信息進(jìn)行獲取。②三維立體模型建立工作。通過測量工作獲取來的大量點位地質(zhì)信息和三維信息，利用GPS系統(tǒng)完成定位，將礦山待測表面的立體圖像構(gòu)建出來，由此呈現(xiàn)出整體的礦山三維模型，有利于開采作業(yè)的規(guī)劃和設(shè)計，還能夠幫助作業(yè)檢測和試供暖人員對礦山地質(zhì)范圍和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行更加透徹的了解，從而促進(jìn)礦山開發(fā)效率和安全管理水平的提升。③以獲取到的三維立體模型為依據(jù)，對礦山信息和數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行更加豐富的擴(kuò)建，并對三維激光掃描技術(shù)的實時優(yōu)勢進(jìn)行有效利用，從而將動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建立起來。另外，對礦山初始數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，用于采空區(qū)監(jiān)控、開采作業(yè)位置監(jiān)控和開采量計算等工作，從而實現(xiàn)礦山的綜合性數(shù)字化管理目標(biāo)。

4.3 礦區(qū)管理的三維立體化

4.3.1 礦區(qū)地表三維模型的建立

三維激光掃描技術(shù)可以為礦區(qū)地表三維模型的建立提供豐富的數(shù)據(jù)信息，對相關(guān)建筑設(shè)施進(jìn)行掃描，獲得準(zhǔn)確的點云信息，將三維模型建立目標(biāo)實現(xiàn)。不同模型的屬性可以通過專門的軟件來確定，能夠?qū)?zhǔn)確的信息提供給礦山管理工作，有利于管理工作的順利進(jìn)行。另外，還可在建立的模型中科學(xué)運用索引目錄，方便有需要的工作人員對模型進(jìn)行查看，只需電機目錄索引，就可以快速進(jìn)入有關(guān)的界面，使得礦山管理的數(shù)字化程度得以提升。

4.3.2 直觀展現(xiàn)礦區(qū)地下巷道情況

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以收集礦區(qū)巷道內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，還能準(zhǔn)確掃描到微小的變化。然后獲取具體的點云數(shù)據(jù)信息，通過建立三維模型來講巷道的實際情況真實的反映出來。此外，還可以實時掌握巷道內(nèi)的實際工作情況，將礦區(qū)地下巷道場景進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。通過此項技術(shù)，能夠進(jìn)行巷道內(nèi)設(shè)施和設(shè)備的掃描工作，進(jìn)而建立相關(guān)模型，對具體情況進(jìn)行直觀的了解。還可以與通訊設(shè)備相結(jié)合，確保具體信息能夠被及時了解和掌握。以巷道模型為基礎(chǔ)，可以對人員的具體位置進(jìn)行立體定位，掌握工作人員的實際工作進(jìn)度，并在此模型中確定相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)問題就可以自動發(fā)出報警提示，讓監(jiān)測工作的可視化和立體化得以實現(xiàn)。

4.4 礦區(qū)Web點云的瀏覽和量算

三維激光掃描技術(shù)對礦山點云信息的獲取有很大幫助，此技術(shù)配備的照相設(shè)備可以實現(xiàn)對礦山紋理的有效采集，并通過專門的軟件設(shè)備來處理這些數(shù)據(jù)，最終形成Web點云，從而將礦山的實際情況展現(xiàn)出來。此外，對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以利用，通過三維形式將礦山的具體情況進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，還可以呈現(xiàn)出具體的實景顏色。通過相關(guān)設(shè)備了解礦山的具體情況還具有較好的量算作用，能夠得出比較適用的結(jié)果，從而讓礦山的精準(zhǔn)化管理擁有了數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)語

在當(dāng)前的礦山測量工作中，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，傳統(tǒng)測量技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新得以實現(xiàn)，利用此種技術(shù)在進(jìn)行測量工作時可以不用接觸到測量目標(biāo)，在復(fù)雜地質(zhì)的測量作業(yè)中具有很大的應(yīng)用空間，并且能夠保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。