基于三维激光扫描测量技术的露天矿山变形监测研究

钟涛

摘 要：由于露天矿山的测量条件复杂、测量困难，导致常规测量技术的效率过低。介绍了三维激光扫描技术的原理，并研究了扫描成果。通过实例应用，并与常规测量手段进行对比，结果表明，三维激光扫描技术在露天矿山变形监测中的应用前景广阔。

关键词：三维激光扫描技术；矿山；点云数据；红外线光束

中图分类号：TD672 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.141

文章编号：2095-6835（2015）15-0141-01

变形是自然界普遍存在的现象，指变形体在各种影响因素的作用下，其形状、体积和位置在时间域和空间域中的变化。我国很多露天矿山大、中型边坡较高，露天矿山边坡位移监测是矿山边坡稳定性监测的主要内容之一。通过多次测量的数据，可得到露天矿山边坡的变形规律、分析边坡的变形趋势，这对保证露天矿的安全生产具有重要的意义。

1 三维激光扫描技术的工作原理

地面三维激光扫描仪采用非接触式高速激光的测量方式，其工作原理为：三维激光扫描仪发射红外线光束，光束一旦接触到物体，会反射回扫描仪，扫描仪对激光点所接触物体表面的信息进行处理并自动存储和计算，获得点云数据。生成的点云数据的三维坐标为（Xi，Yi，Zi）。其中：

式（1）中：Xi，Yi，Zi表示激光扫描点中心的位置，可根据数据解算需要设置φ，ω，κ为初始的姿态参数；r为每个激光点测距结果；β为每个激光点与初始姿态夹角。

2 三维激光扫描仪测量流程

测量流程分为以下3步：①根据精度要求并结合实地情况制订合理的测量方案。在制订方案前，应进行实地勘察，由于变形监测需要长期进行，应在勘测区选定多个测量控制点。②按照测量方案进行数据采集工作。扫描完成后，在现场初步分析数据质量是否符合设计要求。③数据处理。对数据进行预处理，由于在扫描物体时，采集的数据包含了许多不需要的数据，数据预处理后，可对三维激光数据进行配准，而配准一直是地面三维激光扫描技术中的重点，配准的精度直接影响着后期成果的精度。数据配准就是将不同视点的数据统一到一个坐标系，使之成为一个整体。

与常规测量相比，三维激光扫描仪无需测量精度高、监测速度快、先埋设监测点、接触滑坡体，且能反映监测对象的整体变形趋势；测量时为面采集模式，可快速获取高精度、高密度的三维点云数据，且可进行全天候监测，通过对点云数据的处理和建模，可得到整个变形区域的变形信息；通过对监测数据的分析和研究，可得出变形体的变形规律，并对监测对象的变形趋势进行分析，以更好地对变形进行预测，从而使损失降到最低。

3 实例应用

在山西某露天矿山边坡变形监测项目中，分别使用三维激光扫描技术和常规测量方法进行测量，对测量所得的数据分别进行了处理。在此项目中，三维激光扫描技术利用了控制点的配准方法。对应用常规测量方法与三维激光扫描技术所测得的结果进行了对比，具体数据如表1所示。

表1 对比结果

从表1可看出，三维激光扫描技术获取了大量的点云数据，比常规测量方法所获得的点多得多，使测量精度得到提高；与常规测量方法相比，运用三维激光扫描仪获取了大量的点云数据，并对其进行了特征提取，精确获得了整个矿山边坡地面的变化状况，生成了三维影像，使测量成果更为直观；三维激光扫描技术在获得了大量的基础点云数据的同时，节约了人力、时间和费用。由A，B，C三个区的测量结果可知，三维激光扫描技术获得的结果比常规测量方法的更加稳定、可靠。

4 结束语

三维激光扫描技术可实现远距离非接触测量，可容易地测量条件困难的工程，且精度也得到了一定的提高。三维激光扫描测量技术与常规露天矿山边坡变形监测测量技术相比，有明显优势，可精确获得边坡的变化状况。因此，三维激光扫描技术在边坡变形监测领域中有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1]黄声享，尹晖，蒋征.变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[2]王黎明，刘夫晓，王新生.三维激光扫描技术在矿山巷道变形监测中的应用[J].矿山测量，2011（3）：79-80.

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〔编辑：张思楠〕