三维激光扫描仪在鞍山市大孤山铁矿动态监测中的应用研究

金忠诚

摘 要：为了达到矿产资源开采达到合理化与可持续化发展，矿山企业定期要对采矿场资源储量进行核实，目的是调查矿山开采现状，估算矿山保有资源量，为下一步开发提供地质依据。对于铁矿石的资源储量，一般采用免棱镜全站仪进行测量评估。但因地形复杂，测量人员使用全站仪观测常有观测死角，此外人为因素的测量误差也难以避免。而三维激光扫描技术克服了这些缺点，为储量监测提供了快捷的途径。本文利用三维激光扫描仪对鞍山市大孤山铁矿场进行了测量，分析探讨了三维激光扫描技术在矿山动态储量监测中的实用性和适用性。

关键词：三维激光扫描；矿山；动态监测；数据库

1 概述

矿山动态监测是指应用多种技术手段、多个时段和多源数据对矿山一个开始周期时间内矿山空间变化进行的监视与探测。是按统一的技术规定、标准、要求定期对矿山开采单位开采的矿产资源进行监测、检查管理，准确的核实该矿山矿产资源储量，了解矿山企业矿产资源储量变化情况原因，有效保护与合理利用矿山矿产资源。

目前矿山动态监测采用的是传统的测量方法，即利用GPS配合免棱镜全站仪，这些方法在井下或塌陷区等特殊地形下测量的时候存在一定的难度。而三维激光扫描仪不但可以采用非常高的分辨率进行数据采集，而且能获得三维数据，因此很容易生成较其它常规测量方法更为准确的数字高程模型。它比传统的GPS+免棱镜全站仪的测量作业方式，作业效率更高，优势非常明显，外业人员的作业强度也大大降低，安全性也得到保障。

三维激光扫描仪所采用的三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，利用激光测距的原理，通过记录被测矿山坡体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，具有高效率、高精度的独特优势。该技术能够提供扫描矿山坡体表面的三维点云数据可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。三维激光扫描仪包括地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源及附属设备，通过非接触式高速激光测量方式获取地形或复杂矿山坡体的几何图形数据和影像数据。

2 三维激光扫描仪在大孤山铁矿动态监测中的应用

在该项目中我公司采用Z+F IMAGER5010C三维激光扫描仪。该仪器扫描视角320°×360°，扫描速率为101.6万点/秒，最高分辨率0.1mm，精度为0.2mm。在外业工作中首先用三维激光扫描仪对大孤山III号矿体山坡体进行扫描，每次观测按地形需要架设5-10站不等，每次架设均采用已知点后视定向观测，每站测量12分钟，平均采集碎部点550万个，采集到的矿山坡体表面各部分的空间位置信息是以GPS控制点为基准的。由激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被测目标体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。最后通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，且以多种不同的格式输出，从而满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

内业数据处理主要包括两大部分：点云数据处理（导入、去噪、拼接、拼接精度检核、抽稀、输出），输出数据去噪、线划提取、图符编辑、制图输出。首先点云数据的处理采用Z+F Laser Control软件进行，对采集的单站点云数据进行预处理去噪，根据点云数据生成公共面片，使用软件的拼接功能将相联系的测站区域进行拼接，软件自动进行精度检查，保证两站间的拼接精度控制在1mm以内，从而完成两站的数据拼接。依次进行，得到完成的实景三维点云数据。对点云数据进行去植被操作，最终得到测区点云数据；其次生成地形图，进行线划提取和抽稀输出，将提取的线划图导入CASS 9.0软件进行图符编辑，得到最后的矿山现状图和矿山坡体标高图。

通过点云数据生成的DEM和DTM数据，可以进行矿山的采挖测量，在矿山开采前，通过获取的DEM和DTM数据实现植被占用面积和土石方量的计算，最方便的是能实现直观的矿量计算，在矿山开采过程中，能够精确的获取采空区的空间信息，同时为安全生产通过技术依据。通过对比2个不同时期的数据分析计算得出大孤山III号矿山开采矿体及矿山实际变化情况。由于三维激光扫描仪架设的基准点是GPS加密控制点，采集到的每一个数据都避免了人为误差，使数据相比传统测量手段测得的数据更为精准，计算得到的矿山体积变化量也更为精准。而且精度指标满足了监测精度要求。

3 技术特点

通过此次项目的比较与传统测量、摄影测量等测量方式相比较，三维激光扫描技术有明显的以下优点。

（1）数据采用率高。传统的测绘仪器在矿山动态测量中很难采集高密度、高分辨率的海量點云数据。脉冲激光可以在数秒内采集上千个数据点，相位激光扫描仪可以达到上万个数据点，突破了单点模式，可以获得更多的物体空间信息。

（2）精确度高。精度不但高于摄影测量中的解析点而且精度分析均匀，还可以避免表面近似的误差。

（3）受外界影响小。通过自身发射的激光回波信号获取目标的数据信息，白天黑天都能够作业操作，也不像传统测量对温度的要求高。

（4）非接触式数据采集。无需接触目标，也不需要反射棱镜。可以实现对危险目标和环境数据的采集。

（5）提供等高线、多种纵横断面生成方式，可生成任意的断面线，生成的断面可以方便地导出到CAD及其他软件中作进一步加工处理和应用。

（6）支持基于点云进行形体建模?并且可以手动任意建模或智能自动建模，能够精细再现扫描矿山坡体区域；另外对所建三维模型进行真彩色配准，相机彩色图片可以配准贴图到三维模型，内业人员可以有身临其境的体验。

4 结束语

通过本次项目实践可以看出，三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一条新的研究方向，其出现与发展将使测绘行业进入新的发展阶段。三维激光扫描测量可以对矿山进行数据采集，然后进行测量点云绘制成图，最后通过软件实现高效的矿山动态测量工作。在今后的工作中可以用于井下测量及一些危险性区域人员不能达到的地方，对塌陷区、滑坡体、悬崖边等进行测量，结果直接显示为点云数据，通过配套的软件可快速建立结构复杂且不规则物体的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行的测量仪器不可比拟的。

在未来的发展中，矿山动态监测领域将利用三维扫描技术将矿山数据整合为数字矿山，通过数据库系统建立全国联网模式，可实现全国矿山动态监测的远程监控、智能化管理。以后也将势必扩展应用于变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域，对测量行业起到颠覆性的作用。

参考文献：

[1] 储云志.三维激光扫描仪在地质矿产的应用[J].科技传播2012（22）：164.

[2] 张铁军.三维激光扫描仪精度测试及应用[J].中国港湾建设2015（8）：65～67.

[3]毛方儒.三维激光扫描测量技术[J].计量与测试学术交流会论文集，2004（9）：241～248.