三维激光扫描技术在矿山测量中的应用

黄宏畅 谢琪

摘 要：三维激光扫描技术是目前世界上比较先进的进行地形和矿山测量方式，与传统矿山测量方法相比，该技术具有数据点密集、精度高、速度快、成本低和使用方便的特点。本文讨论了常规矿山测量存在的问题和不足以及三维激光扫描技术应用的优势，并给出实际案例说明三维激光扫描技术在矿山测量中的应用，以给矿山测量工作者提供一些借鉴和思路。

关键词：三维激光扫描技术；矿山；测量

1.引言

三维激光扫描技术是目前世界上比较先进的进行地形和矿山测量方式，其技术应用在矿业发达国家已经成为地下采场和空区测量的主要手段，尤其是对危险和人员无法进入的空区探测中。三维激光扫描技术可以有效解决复杂矿山开采区的测量精度问题，同时提供全景影像数据，使数据、图像和实际开采过程达到协调一致。与传统矿山测量方法相比，该技术具有数据点密集、精度高、速度快、成本低和使用方便的特点。

2.三维激光扫描技术介绍

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，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术利用激光测距的原理，通过记录被测物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，因而可以提供扫描物体表面的三维点云数据，该技术主要用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

三维激光扫描技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域有很多尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。按照扫描方式不同，可以分为脉冲式三维激光扫描和相位式三维激光扫描。在露天矿、金属矿井下作业以及一些危险区域等人员不方便到达的区域，如塌陷区域、溶洞、悬崖边等均可以应用三维扫描技术进行测量勘测。

3常规矿山测量存在的问题

3.1矿山测量现状

矿山测量是在矿山建设和采矿过程中，为矿山的规划设计、勘探建设、生产、运营管理或矿山报废等进行的测绘工作。主要内容包括建立矿区地面控制网、绘制矿区地形图、矿山施工测量、矿体几何图形绘制或地表移动沉降观测等。

矿山测量是矿山生产建设中最重要的技术工作之一。是保證矿山安全生产的前提。我国矿山企业的长期发展过程中忽视了矿山行业的基础性工作，尤其是测量技术更是薄弱，由于长期对测量工作不够重视，专业的测量工作者较为缺乏，人才的流失也使矿山测量技术力量受到严重影响。

3.2 常规矿山测量的不足

矿山的采矿面都是凸凹不平的，常规矿石测量是在采区的范围内，选择一定的地形特征点，一定间隔距离进行数据采集，然后根据这些点来进行矿体的计算。对常规矿山测量来说测量的准确性主要取决于立尺点的数量、立尺点的位置、选取的计算模型等。常规矿山测量的不足主要表现在：

理想的立尺点较难到达。对于不够平坦的矿山来说，采掘面复杂，坑道纵横曲折，作业人员无法深入，找准特征点的位置并达到密度要求有一定困难。因此不管采用哪种方式计算矿体，与实际开采状况相比都存在较大误差。很多矿山的开采都要经过多次核算或补做作业才能完成，这也影响了矿山探测的可靠程度。

工效低。常规下一个作业小组要完成一个矿山的全部测量工作需要至少2天时间，而矿山储量动态监管的时效性较强，一般作业时间只有2至3个月，因此需要投入的人力与当前作业单位的实际生产能力有一定差距。

存在一定安全隐患。测量人员在陡峭的山体上树立建标，在崩塌的岩石下进行测量等均存在很大的安全隐患。

不能绘制矿山立体图像。常规测量只有数据，工作人员只能从数据上进行判断，不能形成感官性较强的三维立体图像，不能全面把握矿山的整体开采状况。

4、三维激光扫描技术进行矿山测量的优势

获取客观真实的数据。三维激光扫描技术所采集的数据量远远大于常规矿山的测量数据，而且不受气候、地形影响，不管什么状况的矿山都能精确测定其表面的任意点坐标。

动态分析技术。利用三维激光扫描技术不但可以获取高分辨率的三维点云数据，并且可以快速生成数字高程模型，形象、准确的对矿山进行动态分析，实景显示现阶段矿山开采状态和已经开采的数量以及开采区域内现状等，在提高了数据精度的同时也提高了工作效率。

矿体监测。实际应用中，三维激光扫描仪可匹配校准过的数字相机，同时完成现场场景的照片拍摄，并通过专用处理软件，自动将拍摄的照片像素加载到点云上，生成实际颜色的三维点云数据，可直观、精确地对矿区地形变化，矿体变化等进行监测。

5、应用案例

硬件部分使用设备为U-ARM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，具有5mm测量精度，最远测距可达1250m，整机具备IP65防护等级，可连续使用4H以上，U盘存储。软件部分使用配套软件，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。

该应用案例主要采集航道区域的点云及全景，确定滑坡边界位置。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。传统方式一般采用免棱镜全站仪观测滑坡体局部特征点，只能采集单点数据，数据量非常有限，不能很好的对滑坡做好勘查、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，但是精度并不是很理想，同样无法满足要求。

应用三维激光扫描技术的总体技术路线如下：

设置扫描参数对外业环境进行数据采集，通过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。

精扫三个标靶后，提取标靶点中心位置，进行三坐标七参数转换。可通过RTK连接组件进行后视定位定向方式转换坐标，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。

工程数据内业处理步骤有：首先使用JRC 3D Reconstructor软件进行点云预处理，全景与点云配准着色，点云分类滤波；然后进行测图，提取矢量要素；最后生产DEM、DWG及滑坡区域预警分析。

数据成果包括矿山点云、矿山数字高程模型、矿山数字线划图等。

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。

最后进行滑坡量计算，计算出滑坡总面积和总挖方数量。

从上面的应用案例可以看出，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，极大的提高了测量效率，节约了人力物力并缩短了勘测周期，将实景信息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。根据三维激光扫描技术将获取的三维激光点云数据形成矿山的数字模型，在此模型上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，可精确地计算出目标的结构形变、位移以及变化关系等，为指导矿山安全生產提供真实可靠的基础数据。

6.总结

三维激光扫描技术以高密度、高精度和高效率的测量手段，实现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。通过实践应用发现使用三维激光扫描技术进行测量工作明显优于传统测量技术。随着矿山行业对安全生产要求的不断提高，开采勘探过程中对数字化、智能化、信息化的设备需求的增多，三维扫描技术因其自身的技术优势将在矿业安全生产中发挥越来越大的作用。

参考文献

[1] 潘德军，矿山测量的现状及发展研究[J]，中国科技期刊数据库，2016，8

[2] 王力，李广云等，三维激光扫描技术在矿山治理中的应用[J]，测绘通报，2013增刊

第一作者：黄宏畅，男，1986年11月，湖北红安，大学本科，研究方向：三维激光扫描技术在测绘中的应用，测绘助理工程师，广州南方测绘科技股份有限公司武汉分公司。