三维激光技术在矿山测量中的综合应用
2018-11-30彭劲松周光明
彭劲松,叶 波,李 娟,周光明
(1. 湖南环境生物职业技术学院,湖南 衡阳 421005; 2. 武汉海达数云技术有限公司,湖北 武汉 430023)
在矿山建设和采矿过程中,矿山测量是为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理及矿山报废等进行的测绘工作。
三维激光扫描技术以高密度、高精度和高效率的测量手段,完成矿山生产过程中地形测图、堆体体积计算、矿区沉降观测等工作,是实现矿山高效、精细化生产的有效保障。
传统方法运用到的仪器主要有GPS、全站仪、水准仪等,可以测量到比较精确的点位位移,但观测点过少、观测时间过长,无法实施整体监测。传统方式一般采用免棱镜全站仪观测滑坡体局部特征点,但只能采集单点数据,数据量非常有限,不能很好地对滑坡做好勘查、监测工作。若采用无人机通过倾斜摄影测量来进行数据采集,精度也不是很理想,同样无法满足要求。
本文采用三维激光扫描仪对厂房和矿山进行数据采集,使用配套软件生产加工完成1∶500地形图、堆体体积计算,以及滑坡对周边区域预警分析等成果,并将采集处理成果和传统RTK测量方式获得的结果进行比对。数据显示,无论在精度,还是在采集处理效率方面,均可以获得令人满意的效果。
1 总体技术路线
本文技术路线如图1所示。
2 设备及配套软件
使用设备为HS系列高精度三维激光扫描仪,该设备为脉冲式地面三维激光扫描设备,非常适合地形测绘、矿山测量等大场景区域测量应用,如图2所示。
硬件部分:设备具有5 mm的测量精度,最远测距可达1200 m,整机具备IP64防护等级,可连续使用4 h以上,内置240 GB固态硬盘,此次作业主要采集航道区域的点云及全景等。
软件部分:配套软件具备点云预处理、全景与点云配准着色、点云分类滤波、测图、提取矢量要素、体积计算、预警分析等功能。
图1 技术路线
图2 HS系列高精度三维激光扫描仪
3 作业流程
3.1 现场环境
现场环境为北方某露天矿坑,常年风沙巨大,车辆运输较为频繁,如图3所示。
3.2 外业数据采集
设置扫描参数对外业环境进行数据采集,对标配靶标精确扫描,并采用后视定向的方式获取绝对坐标位置。
图3 现场环境边坡
3.3 坐标转换
可通过两种方式进行坐标转换:
(1) 精扫3个标靶后,提取标靶点中心位置,进行三坐标七参数转换。
(2) 可通过RTK连接组件进行后视定位定向方式转换坐标,如图4所示。
图4 坐标转换
将外业RTK数据通过固定参数转换为扫描仪相位中心点作为定位点,将后视定向靶标通过固定参数转换为标靶中心点作为定向点。
3.4 内业数据处理
工程数据内业处理基本步骤:
(1) 使用HD 3LS Scene软件进行点云预处理,全景与点云配准着色,点云分类滤波。
(2) 使用HD PtCloud Vector(For AutoCAD & ArcGIS)进行测图,提取矢量要素。
(3) 生产DEM、DWG及滑坡区域预警分析。
3.5 数据成果
处理成果包括矿山点云、矿山数字高程模型、矿山数字线划图等,如图5—图7所示。
3.6 确定边界范围
由于需要确定滑坡边界位置,结合地质资料确定地层岩性从而判断地质结构应力,并反演不同应力结构下的地层可能滑坡的整体方量、坡度角度及下滑的可能位置,分别如图8—图11所示。
图5 矿山整体点云
图6 矿山数字高程模型
图7 矿山数字线划图
图8 边界及钻孔位置坐标点
图9 边界范围模型
4 结 语
三维激光扫描技术可以将矿山的所有实景信息复制到计算机,大大提高了测量效率,节约了人力物力,缩短了周期,并且可以转换为计算机可以浏览和分析的高密度数字化信息,从而实现数字矿山的精准管理。
图10 边坡彩色点云侧面图
图11 总面积与总体积
根据三维激光扫描技术,不仅可以利用获取的三维激光点云数据建立矿山的数字模型,在此模型上还可以提取多种高精度、高密度数据信息,如任意位置长度、距离、体积、面积等。
将多次扫描的数据模型进行叠加分析,可精确计算出目标的结构形变、位移及变化关系等,为指导矿山安全生产提供真实可靠的基础数据。