三维激光扫描技术在数字矿山中的应用研究

蒋荣新

【摘要】在科学技术持续发展的情况下，数字矿山已被矿产领域所重视。在科学技术持续发展的情况下，借助数字技术已经在绝大程度上提升了矿山管理工作的综合效率。且在矿产企业发展速度持续加快的情况下，对于三维信息的需求量正以极快的速度在增加。目前，三维可视化管理已经成为数字矿山中最为核心部分，可充分滿足在实际测量过程中的多方面需求。同时，三维激光扫描技术存在有高采集样率以及高分辨率等多方面优势，可帮助有关工作人员得到矿山的各方面空间信息，对于矿产采集以及数据分析等方面均存在有极为重要的意义。

【关键词】三维激光扫描技术；数字矿山

矿产企业属于我国能源产业中较为重要组成部分，在科学技术持续发展的情况下，越来越多的信息技术逐步被运用到矿山企业中。数字矿山已经在该领域内得到推行，且在该行业发展速度持续加快的情况下，对于空间三维信息的需求正以极快的速度在增加。在数字技术的帮助下，可讲矿山各方面情况以数据的形式进行展现。在以往测量过程中，借助GPS以及全站仪等设备虽然同样可达到对矿山各方面信息进行采集的效果，但所得到的均为单点数据，无法充分满足对矿山整体情况的评估需求[1]。而在数字技术的作用下，可将矿山各方面情况完全转化为数据。且在三维激光扫描技术的推行下，进一步提升的数字矿山在实际检测过程中的综合效率，为后续工作提供了有效理论支持。本文研究就主要对三维激光技术在数字矿山中的具体运用情况进行分析。

1、三维激光扫描技术的各方面原理以及特点

1.1该技术基本特点

三维激光扫描技术主要建立在激光测距的基础上，结合对物体外表进行扫描，可较为完整的对实物三维数据进行采集与获取，且在采集过程中速度较快，并且存在有极高的准确度，属于非接触式测量，操作较为简单，同时可达到实时、动态测量的效果。该技术所得到的数据属于点云数据，即囊括有大量的离散点数据，信息极为丰富。在检测过程中所得到的各方面数据均属于扫描目标各部位的真实数据，不需要在后续工作中在实物表面进行处理，数据极为准确可靠。目前，三维激光扫描技术已经在各个领域得到推行，在绝大程度上提升了历史文物保护、建筑测量、军事分析以及自然灾害评估等方面的工作效率。

1.2该技术的基本原理

三维激光扫描技术在实际工作过程中需要借助数码相机、激光发射器以及控制电路板等，在各类设备的协同作用下可在极短时间内得到物体的三维空间信息。该技术充分借助激光测距，在检测过程中对被检测物体从竖直方向以及水平方向进行旋转记录测量，可准确得到物体与扫描仪间的位置关系。激光发射器在检测过程中持续发出激光，对被检测物体按照从上到下、从左到右的顺序进行扫描测定，且在扫描过程中可将扫描得到的数据实时录入到储存硬盘中，随后借助后续软件进行处理，即可将数据信息在电脑上进行展现（所得到的数据均为排列规律的点云数据）。

2、三维激光扫描技术在运用过程中的多方面优势

结合实际可知，在数字矿山检测过程中三维激光扫描技术的优势主要体现在三个层面：

（1）在三维激光技术的帮助下，可使得矿山实体情况以完整数据的形式反馈到计算机中，同时，在对应软件处理后即可得到方面工作人员进行浏览以及分析的数字信息，便于矿产企业对矿山各方面情况进行更加准确的分析与管理。

（2）可得到矿山的数字模型。结合三维激光扫描技术所得到的点云数据，经过后续处理后即可得到矿山的数字模型。通过该模型，对应工作人员可对山体各各方面情况进行准确而方便的处理，包括山体体积、各位置间距离以及面积、长度等。

（3）为山体变化情况提供参考依据。在三维数据的支持下，结合对不同时间所扫描得到的数字模型进行重叠，可较为直观且准确的对矿山变化情况进行分析，包括结构变形情况、位移情况等，为后续矿体开采等提供重要依据，确保后续生产的安全性。

（4）在扫描过程中受到的外界干扰较小。在以往摄影测量技术中，往往限于在白天进行测量，无法实现夜间测量。而在三维激光扫描技术的作用下，具备有较大的测量领域且测量时间不受限制。在任何时间点均可进行测量。同时，在以往摄影测量技术中受到温度的影响较大，导致部分测量工作无法正常展开。而在三维激光扫描技术可连续进行扫描，基本不受温度的影响[2]。

3、三维激光扫描技术在实际运用过程中的缺陷

虽然三维激光扫描技术在数字矿山中具备有多方面运用优势，而结合实际可知，其在实际运用过程中依旧存在有一定缺陷，主要表现在以下几个层面：

（1）维修以及检验难度较大。三维激光扫描仪结构较为复杂，其检查与维修工作均需要由专业人员进行。且仪器设备造价较高，在一定程度上制约其推广性。

（2）后期数据处理存在由一定难度。结合实际可知，在对扫描后得到的云数据进行处理过程中存在有较大的难度，且数据处理所需要的时间是获取时间的10倍以上。且数据处理对有关人员的专业能力存在有极高的要求。

（3）数据处理软件缺乏完善性。结合实际可以发现，市场上所使用的三维激光扫描仪在生产厂家不同，在后期数据处理方式上同样存在有较大的差异。且不同厂家所生产的设备在数据处理上互不相容。

4、三维激光扫描技术在数字矿山中的具体运用情况

结合实际运用情况可知，三维激光扫描技术在数字矿山中存在有多方面运用，在绝大程度上提升了矿山开采等方面工作的综合效率，并为矿山采集工作提供了重要安全指导。具体来讲，三维激光扫描技术在运用主要表现在以下层面：

（1）对矿区进行立体化管理。结合三维激光扫描技术可针对矿区地表各方面各个位置连同有关设施进行立体化管理。结合扫描所得到的点云数据可完成对矿体区域的三维立体设计。并在特定三维软件处理后将矿体各个位置的三维模型属性特点进行详细挂接，对应管理部门以及工作人员则可以在模型的帮助下，对各个区域进行准确有效管理。此外，更可以建立有关索引目录，管理人员通过索引目录可较为迅速找到自身所需要的信息。另一方面，在该技术的帮助下可促使矿区地下巷道实现可视化。通过三维激光扫描技术能够较为详细的对巷道中各方面特点详细进行了解，甚至对于细小的纹理同样科较为清晰显示。在巷道三维模型的帮助下，能够较为直观的对地下各方面情况进行显现，及时掌控地下工作展开情况，实现地下矿区的透明化。同时，借助三维激光扫描技术科对巷道中有关设备以及有关设施模型进行建立，并可以在对应模型中完成对数据通讯的建立，便于后期对设备信息的查看。通过在模型中安设对应安全监测设备，一旦监测信息出现异常情况，即可以下模型中进行显示，实现三维可视化安全监测的目的。此外，在数据模型的帮助下，对管理人员进行管理与培训，能够进一步提升培训工作效率，帮助管理人员管理能力得到有效提升[3]。

（2）实现对矿区Web点云的测算以及浏览。结合三维激光扫描技术所得到的点云数据，结合对应数码相机展开矿山纹理的采集，在对应处理软件的帮助下，可生成矿区Web点云。在计算机的辅助下，结合IE浏览器将对应数据打开，即可将矿山的各方面情况以网络进行三维显现。在Web的帮助下，不单单能够得到矿山的实际坐标信息，更可实现对矿山实景颜色进行显现。

（3）便于对开挖量进行统计与核算。针对部分露天开采的矿区，在三维激光扫描技术的帮助下，以规定时间间隔对矿区进行扫描，并建立对应数据模型。通过将各个时间点得到的三维模型进行重叠则可以较为直观的对矿区开挖情况进行显示。便于对开挖方案以及开挖风险等进行评估，促使矿区生产更加科学化。

（4）实现对采空区域的数字化管理。结合实际可以发现，地下开挖过程中所形成的空采挖区，在一定程度上影响着矿山的发展，更会对设备以及开挖人员的安全造成一定威胁，在一定程度上阻碍着矿区的正常经营。采用何种方式对采空区域进行管理，测定其面积大小以及边界情况，进而对有关处理方案进行制定，实现对矿区安全的有效保障。三维激光扫描技术通过非接触式测量，可对矿山采空区域各方面情况进行综合监测，包括采空区域分布情况以及贯通关系等。同时，在对应软件的处理下，可得到采空区的数字实体模型，明确采空区域的体积大小，顶板面积情况，为风险评估提供有效保障。在該技术的帮助下，可对采空区域进行有效管理，避免出现安全事故，为矿区生产的安全提供充足保障。

（5）实现对矿区以及矿井中各个设备沉降情况进行监测。沉降监测属于矿区日常监测工作中较为重要部分，且保障矿区生产安全方面存在有极为重要的作用。而传统监测技术在实际监测过程中存在有较大的局限性且误差较大。无法实现对设备沉降情况进行准确显示的效果。而在三维激光扫描技术的帮助下，以天为单位对矿区设备位置情况进行测定，通过后期对比可较为直观的观察出矿区设备沉降情况。

（6）简化对沉陷区的监测。对沉陷区进行监测同样属于矿区日常监测工作中较为重要部分。地下矿山开采，在多方面因素的共同作用下，很容易出现沉陷等情况。而在三维激光扫描仪的作用下，可对沉陷区三维模型进行建立。在点云模型的作用下，可对沉陷区进行动态观察。

总结：

数字矿山为目前矿产行业较为新型的发展模式，近几年三维激光扫描技术更是得到极快的发展与推广。在该技术的帮助下，突破了传统单点测量模式的局限性，使得测量过程更加高效与准确。在数字模型的帮助下，矿区管理人员可以较为直观的对矿区各方面情况进行较为准确的测定。同时，在该技术的帮助下，更为矿区生产的安全性奠定了有效基础。结合实际可知，虽然三维激光扫描技术在数字矿山运用过程中存在有多方面优势，该技术尚处于持续推广过程中，在实际运用上还存在有部分缺陷，还需要在运用过程中不断进行完善。

参考文献：

[1]白立飞，潘宝玉，张兰.三维激光扫描技术在数字矿山领域的应用[J].山东国土资源，2013，38（8）：43-46.

[2]孙茂存，杨文华，夏积德.三维激光扫描技术在数字矿山中的应用[J].新技术新工艺，2015，67（7）：96-98.

[3]吕远.三维激光扫描仪在矿山井下测量技术中的应用研究[J].煤炭与化工，2015，38（7）：24-26.