三维激光扫描技术在矿山测量中的应用与研究

2021-03-08王群

世界有色金属 2021年24期

王群

（安徽省地质矿产勘查局326地质队，安徽安庆 246003）

我国正处于快速发展时期，对于矿山的开采和测量也将面临新的机遇。矿山测量包括地面测量和地下测量。矿山测量的任务是建立地形控制网络，并绘制矿山地形图，测量矿山的地面连接，实现矿场及各种工程的施工控制和测量等。随着科技的发展和矿山的建设要求，传统的矿山测量已经不能满足生产建设需求。因此，将三维激光扫描技术应用于矿山测量中，使矿山测量工作更先进精确，在矿山开发建设中具有一定的推广应用意义。

1 三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是利用激光信号检测物体，向检测区域发送信号，根据信号的旋转计算距离，准确记录坐标的对象。将扫描得到的数据计算得到的离散云点组合成三轴坐标，以此来确定物体的反射强度值。三维激光扫描系统属于高精度测量范畴，根据三维值对被测区域进行三维建模得到数据，可以快速计算实体的空间状态和变化。大多数传统测量只能测量定点坐标，在技术应用中不能快速计算三维状态。在矿山测量中应用三维激光扫描技术可以实现对物体变化的监测，使工程项目管理或施工可准确检测现场情况，将扫描获得的数据传输至计算机和分析系统。随着三维激光扫描技术设备的创新，可以将设备安装在移动的车辆或飞机上，增加了激光测试距离。传统的检测方法，生成的点云数据不够准确。三维激光扫描技术可实现任意点，确保数据收集的质量。三维激光扫描技术可直接扫描点云数据，无需接触目标物体，提高检测的安全质量。该技术应用还可对大目标进行采集数据，并且检测准确率极高，三维激光扫描数据更加直观。

2 三维激光扫描技术应用特点及应用优势

在矿山测量中应用三维激光扫描技术，具有精度高和测量全面等优点。三维激光扫描技术脉冲扫描仪，采用高数据采样频率，测量速度较高，相位扫描仪速度达到120万点/秒。测量速度突出单点模式，获得更多区域的信息。并且该技术在矿山测量中的应用受外界影响较小。在传统的工程中，测量设备采用无线传输进行数据传输，容易受到天气和外界的影响，无线传输也存在不稳定性和信号延迟。三维激光扫描技术可防止信息传输延迟、传输丢失和信号干扰等。常规测量技术和卫星测量得到的测量是二维平面，三维测量需要结合其他测量操作，存在效率低的情况，并且测量误差率较高。在矿山测量中应用三维激光扫描技术，通过在初始阶段识别目标并测量相关数据，生成三维测量数据。通过对数据的后续演变趋势的分析，针对性地提出处理措施，为后续实施提供技术支持。稳定性是三维激光扫描技术的突出优势，技术以固定目标为主要点，实现对区域的测量，从而形成完整测量图像。三维激光扫描技术可在短时间内获取三维点云数据，提高了工程测量工作效率。利用全站仪的定位，从绝对坐标下的点云中采集数据，然后利用该点云，通过软件添加数据，可在测量的同时接收来自点云的数据。应用地图获取真实模型，可通过PC端完成所有任务。生成的点云数据可以与仿真软件很好的对接，为数字化挖掘和管理提供数据，提供准确的断面图和开挖物理模型。

3 三维激光扫描技术应用

3.1 矿山测量技术应用分析

三维激光扫描技术是对空间中的物体进行全方位的扫描，以获取准确的区域或物体数据。在重建对象模型后创建扫描技术。通过非接触式测量，快速实现自动检测。与传统测量相比，三维激光扫描可以具有更高的精度。该技术是通过对目标数据进行分析，并整合散点坐标，以连接起来形成三维信息，实现更可靠的数据，并且真实性比较高。三维激光扫描技术实现采矿中的精准管理，还可以通过查询和分析来自矿山的信息，从矿山的3D模型中查询数据。对模型进行分析，检测到目标随着变化而移动，有利于保护矿工的安全。在矿山开采前，进行初步的测量，以准确验证测量位置。该技术是全球定位系统的形式之一，矿山测量中也是具有准确的测量技术。矿山信息的测量是整个测量改进的重要任务之一，以计算机技术为基础，对信息统计数据进行存储和管理。相较于传统矿山测量，有效的节省了测量工作量。

3.2 数据收集

在矿山测量三维激光扫描技术应用中，需要通过从探测区域采集数据，扫描设备可以结合数字技术，将信息转化为准确的图像，提高图像的分辨率和清晰度。可以准确地扫描区域或物体，并根据扫描前的控制点从定义范围内的数据中收集信息。按照卫星定位测量技术规范，利用高度共同点扫描仪器假设区域，将目标获得的点云数据组合，从而在计算机上创建点云图像，并转换为剖面和垂直剖面。利用全站仪对扫描得到的数据信息进行检测，以确保数据的准确性。

3.3 区域特征提取

在根据条件汇总点云数据生成结果时，可以直接从点云结果结合坐标点的数据推断，让点云图像有更多的信息。还可以按照设计公里数划分点云，划分区域。从每个现场收集点云数据，转换分区结果。第二种方法虽然耗时，需要将区域分开，但可以保证检测的准确性。通过不同的区域，可以检测数据的相似性。确定相邻区域的位置，直到生成的数据相同。为了从测量区域提取特征值，应用三维激光扫描技术扫描独立的坐标系。为了提高坐标转换的效率，配置相应的控制网络，使用水平仪和全站仪创建坐标系。将三维坐标系与激光扫描数据进行对比，将同一区域的数据与坐标进行对比，实现闭环控制的应用优势。采取多地勘察模式，科学布置周边控制点，确保不同的站点与目标相连。明确无差异值后，将坐标系输入计算机，提供点云数据成像[1]。

3.4 井下和地面数据传输

在矿山井下无法接收来自地下的GPS信号，造成了缺乏信息验证和传输不稳定的情况，这需要三维激光扫描无人机在目标区域运行，此过程安全高效运行是关键。因此，在数据传输中，地下信号受环境影响微弱，对于远距离传输受限。采集到点云中的数据量较大。为确保复杂环境下的稳定数据传输，无人机能够安全高效地运行，需要稳定的数据传输和智能设备技术。传统的井下测量已不能满足生产需要。使用无人机安装的三维激光扫描仪，利用激光的距离来实现测量。面对凹凸不平的区域，如果突如其来的障碍使设备难以避开，容易发生碰撞。当无法实现自主飞行时，依靠人员或无人机操作手动完成扫描仪操作。由于矿区空间限制，粉尘较大和视线较差，扫描检测难度增加。因此，需要克服复杂地下环境下的无人机避障技术，提高设备使用的安全性，降低实际测量的操作难度。为了使三维激光扫描技术仪数据在地形测量中准确性，需要在地面采用移动快速扫描，采用封闭路径法。扫描前，将目标球作为扫描控制点分布，方便下一步对点云数据坐标变换，将其精度与地图地形进行比较。使用移动手持扫描根据规划的路线扫描。扫描过程可以轻松完成。这种高工作效率消除了传统测量的工作局限。扫描完成后，连接扫描仪驱动USB数据接口自动导出点云数据，使用专业软件对点云数据进行预处理。将预处理后的点云数据导出到软件进行处理，包括去噪、坐标转换、地形映射和图形输出等，直接生成3D模型。为了在测量地面地形时验证扫描数据，三维激光扫描技术用于快速扫描和覆盖区域。扫描1公里长的路线。在扫描前，目标集合体作为控制点均匀分布，便于后期对数据进行坐标变换，与当前地形图进行对比。根据规划的路线快速扫描，扫描可以由一人轻松完成。高工作效率消除了传统测量的操作限制。扫描后直接在扫描仪数据传输中使用自动导出点云数据，使用专业软件在对点云数据进行预处理。最后将处理的点云数据导出到软件进行处理，包括坐标转换、点云分类和图形输出，直接生成三维模型[2]。

3.5 井下巷道扫描

矿井巷道施工是矿山生产前的重要工序，巷道施工对后续设计和爆破有着重要的影响。准确测量和模型的创建是采矿设计的主要依据，也是矿山建设的业务需求。要想准确的反映地下道路的情况，激光扫描技术是最好的选择。三维激光扫描技术可以以高速的点云数据的扫描速度快速准确地进行测量，包括巷道的细节都在变化。为测试三维激光扫描技术在矿井中扫描数据提供了准确性和可靠性。工作流程类似于扫描地面，不同之处在于目标的方式。井下所有测量控制点均布置在路顶，然后使用专业软件进行预处理云数据、降噪、创建三角剖分和生成模型[3]。

3.6 矿山开采中的应用

三维激光扫描技术在矿山开采测量应用中，需要使用脉冲三维激光扫描仪测量数据，并将采集到的数据以点云形式传输到终端设备中，进行存储。终端处理器可以用于将数据转化为点云数据，并通过去噪、透视和数据处理等步骤重建三维物体图像。在这个过程中，利用三维激光扫描技术，有效的体现了现代信息技术在矿山测量工程中的应用发展水平，实现了现代化技术与信息化的结合。降低了传统矿山测量工程的开发应用成本，而且提高了测量数据的实效性和精度。进一步推动矿山智能化开采和三维激光扫描技术的应用发展。点云数据处理是基于测量的三维坐标，利用定位系统技术和扫描技术转换为另一个坐标。该技术的应用实现了参数转换，坐标数据之间的扫描技术测得的距离和角度受到限制。在地形复杂的矿山中三维激光扫描仪需要进行全方位多角度的进行扫描，以获得与点云中相匹配的完整的空间信息。3D激光扫描技术在矿山开采测量中的应用精度非常高，但操作者误差、测量点误差和点云算法的误差等，都会直接影响测量点之间的点云中的数据。这些误差的累积会导致测量边缘三维坐标较大的误差。因此，在矿山开采测量工作中，需要对多点云数据进行详细的验证[4]。

3.7 三维激光扫描在采空区的应用

三维激光扫描技术在不断改进，在测绘勘探行业具有良好的研究价值。地下采区空空间较为复杂，形状不规则，无GPS信号，无人机飞行中的信息采集与定位，自主无人机抗干扰、航线规划和数据传输等存在一定的难度，无人机设备软件运用更加复杂，智能控制相关技术运行中存在的难点。无人机上三维激光扫描的数据采集和智能控制技术，无人机无法接收GPS信号，只能依靠制导系统来确定设备运行状态，以获得高精度飞行状态和速度。在控制系统下，无人机无法对光束场大和深度大飞行进行自主检测。因此，需要安装3D激光扫描仪的抗干扰技术，传统的矿井光束测量无法满足需求。主要是使用无人机安装的激光扫描仪来检测光束。扫描仪使用激光范围实现避免干扰，适用于简单和规则的环境障碍。在地下不规则的情况下，突如的障碍物难以避免。如果无法实现自主飞行，则要由测量员或操作员手动执行扫描仪操作。由于提取区域的面积有限，对于井下空采区空间的灰尘较大，在三维激光扫描中视野较差，扫描和检测复杂性正在增加。因此，需要克服在地下环境恶劣的环境下自主避让的技术，提高三维激光扫描设备的安全性，降低实际测量工作的难度。目前，无人机航路已在地面上成熟，但由于地下空采区复杂环境影响，无法完全自主规划，这需要配备三维激光扫描仪。当无人机在飞行中遇到障碍物，需要解决障碍物时，全局轨迹规划使无人机难以控制，造成设备损坏，迫需要探索并讨论路线规划。井下激光扫描仪数据传输稳定，但是无法接收GPS信号，缺乏有效的信息验证，同时存在数据传输不稳定。因此，需要配备三维激光扫描仪的无人机在突出区域作业安全有效操作。在数据传输中，信号受环境影响较弱，传输有限。云数据点采集量很大，可以独立安全地运行，并为研究实现稳定的数据传输，支持智能技术，以确保复杂环境下长距离数据传输。市场上的无人机视觉还不是很成熟。针对复杂的井下空采区环境，三维激光扫描技术采用空间位置方法、特征检测方法、图像差分算法和优化算法等，可以有效的智能控制和实时感知环境。一旦三维激光扫描技术完全投入使用，必须配备3D激光扫描仪、光学传感器、红外摄像头和电池，这会增加设备运行的重量。这对无人机使用寿命有巨大的影响，在运行中由于负载过大，运行存在一定的风险因素。因此，为了减轻三维激光扫描仪无人机的负担，必须解决技术运行中的负载问题。

4 某工程露天监测三维激光扫描技术的应用

随着国家对矿山安全的重视，矿山测量工作将不断的向数字化发展。为顺应数字化测量应用趋势，某矿山露天开采中要完成采掘方量的结算、稳定性分析及尾位移沉降监测，并根据三维激光扫描技术，建立各区域模型。在每个测量站进行三维激光扫描，扫描通过遥测系统传输到处理中心。在处理中心，使用软件读取数据，选择方式保存各站数据，得到坐标点的云数据。使用软件的过滤和缩小过滤掉不同数据重叠的区域。通过扫描对采集到的点云数据建模，创建露天矿模型。比较周期数据模式，得到测量周期的变化面积，使用体积计算功能计算开挖量。为了获得区域内数据，使用扫描系统并与地形进行比较。如图1所示，点云可以准确地描述地形。岩土边坡分析利用扫描系统获取云数据，计算区域的反射率和纹理，使用岩土分析系统。显示节点结构的统计分析，检测结构的弱平面。在监测现场埋设监测哨，在监测哨上安装扫描仪，尝试连续扫描，并通过无线基站在系统之间安装和连接无线基站网络。在软件中确定用于稳定性监测和预警的区域。根据扫描仪采集的数据，自动绘制应变和剪切曲线，创建剪切云的三维图。如观景期间天气恶劣，应提前更换扫描仪观景。调整扫描仪的位置，使头面向前窗。安装避雷针和电网等电位接地装置，构建防雷系统。除了安装气象站外，还可以了解现场的天气情况。垃圾填埋场监测将扫描系统连接到软件，通过软件控制扫描仪采集现场数据，软件自动清除植被。定义评估区域，将区域数据与设计进行比较分析，包括横截面、轮廓交点、设计偏差、开挖偏差范围和尺寸查询等。软件会自动生成关于施工和设计检查结果报告。报告称，结果不断更新，并根据偏差进行调整。在矿山开采中，会挖出大量的土壤，对于开挖出来的土就变成了废物。开采后废物必须进行运输。利用三维激光扫描技术进行测量，可以预测其数量。在测量时，三维激光扫描以土壤为测量目标，随着时间测量距离，完成对物体位置的确定。确保测量距离和数量采集，合理应用点云中的数据应用和数据计算。测量采用三维激光扫描，以地面反射数据、脉冲信号为基本应用测量条件，调整三维坐标，结合三维图像实现转换，计算出废物量。结果可以准确计算利用率，节省大量的计算时间和运输成本，有效提高了整个项目的效率。