基于3D激光扫描的金属矿测量方法研究

高永峰

（西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850212）

1 金属矿矿山开采和工程测量技术的应用

1.1 工程测量技术

现阶段，在矿山测量中，为提高测量的应用效果，必须根据测量技术应用要求改变测量技术模式，合理调整技术应用体系，使测量技术能为矿山开采提供可靠的指导，同时也是为促进矿山测量技术的发展，使技术可以满足工业发展要求的标准，为企业长期经济发展奠定基础[1]。

1.2 金属矿山开采

金属矿山开采中，为更好地了解金属矿山开采的质量和效果，需要按照金属类别和具体技术要求进行开采。而前期条件时必须详细了解矿山现场实际情况，有针对性地选择合适的测量技术，才能为采矿人员及时提供准确全面的开采信息，能够准确地了解开采的未来发展趋势。

1.3 在金属矿山测量中工程测量技术的应用

1.3.1 应用对策

一般而言，为更好地展示开采和技术应用的质量，需对技术中地质、矿体情况与矿石分布等模块进行建模，即采用三维建模分析法，通过三维建模应用来实现对整个金属矿山测量的技术应用分析，能为金属矿山的开采提供切实有效的保障，提高金属矿山测量技术的应用水平和效果[2]。

1.3.2 开采精密探索

在现阶段的金属矿山开采技术应用中，为更好地展示技术的应用质量，必须明确精密开采技术的应用方式，并处理好精密技术应用在金属矿山测量中的实践效果，为金属矿山的开采提供可靠参考。比如在金属矿山开采技术应用中，根据开采技术的应用要求对精密开采方式的应用进行合理调整，保证测量技术能实现金属矿山工程测量和开采对精密度的要求。

2 3D激光扫描技术概述

2.1 3D激光扫描技术的含义

3D激光扫描技术指的是通过三维几何模型的构建，结合精密的三维测量仪器，伸入到采矿区域进行探测，主要可以进行矿井和储藏量的测量、体积的测量以及运输路线的分析、稳定性检测、地下开发测量和地质图绘制等。通过三维数据扫描可以获得精确的采矿区的空间结合数据，比如长度、面积、体积等信息。

2.2 3D激光扫描技术的应用优势

和传统的勘探开采技术相比较，3D激光扫描技术的技术含量更高，同时具有实时动态、无接触、精确高效和数字化的特征，考虑到金属矿消耗数量与种类在不断增加，加上该类矿往往隐藏在地面深处，开采难度较大，为此采用该技术能有效提高矿山勘探开采作业的效率与质量。具体优势总结如下。

对于大多数金属矿山，所在区域的地质结构往往非常复杂，而且因为隐藏较深，其中不乏缝隙、溶洞等不稳定的结构，因此在对于金属矿山的探勘开采中会遇到很大的难题，存在的安全隐患较大。为保证勘探开采测量的安全性，采用3D激光扫描技术能在空间作业的基础上开展测量工作，采用精密探测仪器测量到采矿区的空间形状形态等，还能实现对这些采集信息的数字化和集成化，并结合成像技术展现出来，能为金属矿科学合理的开采以及安全管理提供有效依据[3]。

2.2.2 解决空间复杂和构造复杂的问题

金属矿区开采受到本身自然环境和开采作业活动的影响，在地表存在大量设备、原料、矿石和废渣等，采用传统的地面勘探测量手段无法保证工程顺利开展，甚至会影响测量结果的准确性，采用以人工为主导的勘探手段也不能有效应对复杂的地下巷道测量，尤其对于一些已经被废弃的或者正在开发的巷道，在一个复杂的破碎的体系中难以实现全面有效的测量。此外，对于复杂的构造，常常以变量形式存在，空间数据以动态形式存在，因此对于数据信息的监测难度就更大。而通过3D激光扫描技术的应用，有一方面可以解决空间复杂的问题，另一方面可实现对数据信息的动态监测、收集和管理，这些都是传统测量技术和人工处理无法达到的。

2.2.3 解决了分辨率的问题

采用传统测量方式，对于搜集到的数据最终制成的是二维平面图，无法完全地展示出空间测量的情况，误差较大。而采用激光扫描技术，具有数字化、自动化和动态化的特点，因此可实现对井下被测对象空间位置信息的测量，数据更加全面和准确，而且通过三维建模能够更加形象直观地观测到矿山巷道信息和地质环境的信息[4]。

3 3D激光扫描技术的应用原理

3D激光扫描技术的应用原理如下：采用快速准确的激光测距仪，以及可导引激光以等速度扫描的反光棱镜和高清晰度高分辨的摄像机，其中激光测距仪使用的是脉冲式测量方式，不仅可以主动发射激光，而且能接受来自自然物体反射信号进行测量，对于每一个扫描电都能测量得到测站到扫描点的斜距和竖直角、水平角，然后可以求出测站点和扫描点之间的坐标差，若定向点与测站点坐标已知，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

4 3D激光扫描技术在金属矿山测量中的应用

4.1 扫描方案设计与数据的获取

考虑到金属矿山矿产资源的颜色大多数是深色，尤其是露天矿山资源大部分是黑色，所以对于激光的反射率很低，最大的测距也只有400m左右，为保证测量结果的全面准确，就需要设置多个测量站点、准备多台测量仪器。经过多年的实践总结和具体工程考察，得出应在视野比较开阔的几个地方分别设置观测点、架设测量仪器然后进行激光扫描。每一个观测点都应该分别使用近距离标准测量与远距离精密测量两种，且在标准模式的要求下是一周用时4min，在精密测量模式下一周也只需要用时12min～13min，和全站仪测量相比，采用激光扫描技术进行测量的时效至少提高了200倍。

4.2 数据处理和模型建立

根据预设目标对经过三维激光扫描测量收集到的数据进行及时处理，经过一系列的计算和曲线变化图绘制后，可得到正确的结论，该结论可为实际的金属矿山开采提供依据。在实际矿山测量时需了解矿石的物理性质，因此需分类进行数据收集和总结讨论，可满足不同金属种类的开采需要。以下对具体数据处理以及数据模型的建立进行简单介绍。

对于权重矩阵Q、R、S的选取，根据前文对系统动势能、消耗电能以及系统状态量x和α偏差函数的建立，易求得：

4.2.1 平滑扫描数据

平滑扫描数据指的是使观测点和观测点之间的距离变得均匀，从而缩小测量的误差。包括连续表面平滑与不连续表面平滑两种，其中前者指的是所有的观测点都应该在其上面的平面，后者指的是在在较远的距离上有前景数据与对象。在进行数据处理时，要求对现场环境进行详细的了解，对于树木、灯柱这些自然景观更适合用于不连续的平滑扫描，而对于墙壁等建筑构筑物则适合采用连续的平滑扫描。

4.2.2 过滤数据

过滤数据的设置应采用孤点过滤，一般选择2m作为过滤点之间的间隔，这一点需要在菜单栏中提示。如果在一个点的方圆2m范围内没有其他的观测点则该点也会被过滤掉。然后开展最小间隔的过滤，也就是要考虑金属矿勘探测量对精确度的要求，至少连个点的距离在20cm左右，所以在进行模型建立时，对于过滤数据的设置，应根据实际情况以及测量的需要合理选择和操作。在选择好以后对数据进行修改完善，删除无用的点并再次进行孤点过滤形成完整的点阵图。

4.2.3 平面三角化点云

在三角化过程中，必须确定的是三角网的最小角与最大边，为控制TTN的精确度与结构，在表面模型构建时包括球面三角化与平面三角化，其中前者主要应用在具有复杂结构的单个扫描数据中，后者是在横纵轴二维坐标平面中设置三角网，建立激光扫描点的二维三角网，为三维激光扫描测量奠定基础。对于多站点激光扫描而言，还需要做好坐标的匹配登记和纠正，然后才能建立起包含多个观测点的三维模型。

4.3 坐标匹配和坐标纠正

若激光扫描测试不在已知点上进行，因此被扫描的扫描点云图坐标系为任意，不可直接利用该坐标系进行露天煤矿测区的模型建立，需要先进行准确的坐标匹配和登记，才能使多幅点云图归入到统一坐标系中，然后在坐标纠正以后才可进行模型建立阶段。纠正坐标的正确操作是，将点云纳入到地面测量坐标系统中，然后在扫描区附近或扫描区中的控制点设置标靶，使与控制点符合就能将相邻扫描点云图统一到相同的坐标系中，这样全方位的坐标纠正可避免坐标转换时出现转换误差的不断积累。此外，球形标靶指的是使用反射率较高的材料制成的圆球将其放在控制点上，采用矿山测量的方式获得球心，要求测量时每一个激光扫描测站必须扫描2个及其以上标靶球，在标靶球扫描坐标计算以后再根据三维坐标转换进行坐标纠正。

4.4 挖矿体积测量和开采量计算的应用

对矿体体积量进行测量计算，所测量的挖矿体积实质就是本月和上个月矿体表面所围成的体积。为方便计算开采量，对所有平面进行修剪并保证每一次测量是对所有观测点的激光扫描测量，然后综合两种技术方法形成总点云，在坐标纠正后再进行修剪，或者在修剪后再进行坐标纠正都可以。每一个建立的模型都能计算出挖矿体积，该体积包括了多次激光扫描结果计算出的挖方量与体积，根据这些数据就能计算出相应的每月生产量，若与设计目标接近，或每一个月的生产量都接近，则表面该矿山的开采是稳定的，也能通过这些数据对实际开采活动进行调整，能有效减少安全隐患的出现，保证矿山开采的安全和有序。

4.5 巷道3D模拟

在井下巷道测量工作中，也可使用3D激光扫描仪器进行井下巷道三维建模并模拟井下作业的真实情况，可自由设置测站点也可倒立或倾斜设置。在开展地下巷道测量工作时可在每一个巷道交叉口设置测站点，只需输入后视点与测站坐标，利用计算机软件输入测量得到的数据，然后开展数据平滑扫描、孤点过滤和最小间隔过滤等一系列操作后，可采用手工方式纠正坐标。由于在坐标测量时已经输入了矿山坐标系的控制点坐标，为此在进行坐标匹配时可直接通过高精确度的高程图根控制就能得到，并在不同时间段分别测量，最后取没有异常情况下的平均值，当无法固定时间段，则测量得到的数值可能会出现偏差，在该段时间内则不能进行图根控制测量。对于碎部点的测量要求较低，在初始后观测10再观测一次即可满足测量精确度的要求。通过井下巷道三维模型的建立，可查询获得巷道的等高线模型、表面积和容积等指标。

5 结语

综上所述，本文结合3D激光扫描技术的应用优势，分析了将该技术应用到金属矿山测量中的具体步骤和取得的效果，认为该技术不但可以获得准确全面的三维数据信息，而且还能对计算挖方的量，为金属矿山的勘探开采提供更好的服务。现阶段，该技术已经成为国内矿山开采中的核心技术，并朝着更加精确化的方向发展，为矿山的开采奠定良好的技术条件。此外，该技术的适用性较好，对于地下巷道以及其他复杂的、破碎的、杂乱的结构，都能采用精密的测量仪器获得详细准确的三维信息。但该技术在实际应用时还会受到一些现实条件的约束，比如操作人员的技术水平、在盲点扫描地带的应用等等，这些还需要进一步研究与改进才能进一步提高金属矿山测量结果的准确性。