三维激光扫描技术在数字矿山中的应用

孙茂存，杨文华，夏积德

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

随着三维可视化技术的发展，空间三维数据信息在数字化城市建设、数字矿山管理及数字地球等方面得到了广泛的应用。数字矿山则是对矿山的三维图形信息和属性信息进行数字化存储和处理后，进行可视化表达的新理念。数字矿山要求能够全面浏览和分析矿山的三维实景信息，而目前用全站仪和GPS采集的矿山三维信息数据是单点数据，难以反映复杂的地形信息，不能够满足数字矿山的需求[1]；因此，将矿山的三维实景信息可视化是亟待解决的问题。三维激光扫描技术的出现和发展有效地解决了这一难题，推进了数字矿山的发展。

1 三维激光扫描技术

通过扫描实物，快速地获得该物体的空间三维数据，重建该物体的三维实体模型称为三维激光扫描技术。该技术是非接触式测量，即无需接触被测目标，即可快速、动态、实时和自动化地获取目标的高精度、高分辨率的三维空间信息数据，比传统三维测量方法优势更加显著[2]。三维激光扫描技术获取的三维信息是点云信息，由高密度的离散点组成，真实的反映目标的三维信息，内容丰富，无需进行实物表面处理，数据真实、可靠。三维激光扫描技术以其高精度、高效率的优势在文物古迹保护、室内设计、交通事故处理和数字城市等多方面应用广泛，尤其可为数字矿山建设提供准确、详尽的三维空间信息，在数字矿山中广泛应用[3]。

三维激光扫描系统能快速、高效地获取目标表面的空间信息。测量采用激光测距原理，通过对水平和竖直方向角度记录，计算出目标点与扫描仪的相对位置[4]。持续发射激光全面扫描待测目标，在硬盘中存储获取的三维数据，用专用软件对获取的三维数据进行处理，测量获得的点云数据在计算机上实时显示。

该技术在数字矿山中的应用有3个优势：1)实现了矿山的精准化管理，可以通过网络对矿山的实景信息进行浏览查询；2)可以直接对矿山的三维模型进行数据查询，且查询数据结果真实可靠； 3)分时段多次对同一矿山进行扫描建立数据模型，对所得不同时段的数据模型进行叠加分析，可以及时发现目标的结构变化及位移情况，得到的变化数据直接反映了矿山的动态变化情况，指导矿山的安全生产。

2 三维激光扫描技术在数字矿山中的应用

2.1 矿区三维可视化管理及地下巷道的三维可视化

建立矿区的地表三维模型，全面、快速扫描整个矿区，扫描得到的三维点云数据，通过软件处理得到该区域的三维实景模型，并通过后处理将图形信息挂接对应的属性信息，用户在点击图形的同时就可以看到该图形对应的所有属性信息，还可通过建立空间索引的方式实现图形信息和属性信息的连接，从而实现矿山的数字化管理。

三维激光扫描技术获取三维点云信息十分完整，不仅包括巷道内详细的空间信息，还包含了矿山的纹理信息和巷道内的设备及附属设施信息。经过软件处理后监理的巷道三维模型直观、详尽地反映了巷道内部的三维真实场景，用户可以实时地了解开采进度，查看设备信息[5]。在巷道三维模型中载入人员定位系统，在三位场景中实时显示定位井下工作人员的具体位置，还原工作人员运动轨迹，了解其具体动向，如图1所示。在巷道模型中加载安全监测设备信息，当巷道内出现异常情况，监测设备发出警示并在三维模型中实时报警显示具体位置，实现了矿山的三维可视化安全监测。如果将员工的安全培训放在三维立体模型下进行，效果显著，可以有效地提高管理效率。

图1 矿井三维可视化图

2.2 矿区Web点云的浏览和量算

经过处理的矿山的Web点云信息可以用Windows内置IE浏览器浏览查询，这些数据是在三维激光扫描的点云数据的基础上经过纹理处理和软件后处理得到的[3]。矿山的三维形态可通过网络的形式进行展示。矿区的Web点云具有矿山的三维实体的空间信息和纹理信息。用户既可以通过网络浏览查询矿山的整体信息，也可以浏览查询局部信息，还可以通过软件提供的量算功能获取所需的具体数字信息，且量算结果准确可靠。矿区Web点云详细地展示了矿山的细节信息。

2.3 开挖体积的统计及采空区治理

用三维激光扫描仪定期对露天矿坑进行测量，建立三维空间实景模型。通过前后不同时期建立的模型叠加分析，可直接获取变化信息，计算这段时间的开采量。可根据目前获取的数据，结合开采计划，在三维模型上进行模拟，预算开采量，指导矿山生产安全科学[6]。

地下开采形成的采空区，容易引发危险事件，危及矿山生产及工作人员的人身安全，影响矿山正常生产，制约矿山的可持续发展；因此，应掌握采空区的详细信息，分析具体情况，制定合理有效的解决方案。获取矿山采空区的详细信息必须通过测量的方式，由于矿山采空区地形复杂、特殊，难以靠近，传统测量难度很大，而三维激光扫描技术在测量时无需接触目标即可获取三维空间信息，且信息详尽，在矿山采空区探测中优势显著[2]。根据扫描得到的点云数据建立三维模型，该模型真实地反映了采空区的详细情况，可通过软件功能查询计算所需信息，例如采空区的体积、边缘信息等，真正实现了可视化计算。采空区三维模型如图2所示。采空区一般位于地下，内部环境复杂多变，测量采用三维激光扫描技术测距>83 m时，且精度较高(可达到±3 cm)。

图2 采空区三维模型

3 结语

在采集矿山空间三维信息获取方面，三维激光扫描技术与传统测量模式相比具有以下优点。

1)实用性强。在地形复杂、危险的山区，由于三维激光扫描技术非接触即可测量，所以优势显著。另外，井下巷道光线较差，三维激光扫描技术可以全天候作业，适用于井下作业。

2)直观性好。三维激光扫描技术获取的信息是三维信息，可以直观地表示矿山的真实形态，为数字矿山发展提供了丰富、优质的基础三维信息数据。

3)成果多样化。用该技术测量得到的三维点云数据信息丰富、全面，利用这些信息可以制作多种常规测量无法完成的高端成果[1]。

三维激光扫面技术在数字矿山中的应用为数字矿山的建设提供了一个快速、高效的获取矿山三维信息的崭新技术途径，突破了传统单点测量的弊端，有效地解决了数字矿山领域当前的技术难题，是一项新兴的测绘技术。本文介绍的只是该技术的一小部分应用，在数字矿山领域，该技术仍处于发展阶段，其在数字矿山领域的应用前景将十分广阔。

[1] 白立飞，潘宝玉，张兰.三维激光扫描技术在数字矿山中的应用[J]. 测绘科学，2013，38(5):178-179.

[2] 白立飞，潘宝玉，张兰.三维激光扫描技术在数字矿山中的应用[J]. 山东国土资源，2013，29(8)：43-46.

[3] 范玲玲.激光扫描技术在数字化矿山中的应用探讨[J]. 赤峰学院学报(自然科学版)，2014，30(6)：53-55.

[4] 唐艺.基于三维激光扫描技术的活立木材积测量方法[D]. 北京：北京林业大学，2012.

[5] 蒋江生，杨兴元.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用 [J].地矿测绘，2014，30(3)：38-40，47.

[6] 王健，李雷，姜岩.天宝三维激光扫描技术在数字矿山中的应用探讨[J].测绘通报，2012(10)：58-61，91.