矿山测绘中三维激光扫描技术的应用

2021-11-30郑祖发杜力立

世界有色金属 2021年2期

郑祖发，杜力立

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650000）

1 三维激光扫描技术的工作原理

三维激光扫描技术是利用激光进行快速扫描，来对目标进行坐标的测量，测量过程具有持续性和全面性的特点。测量目标的空间信息可以通过此技术完成快速获取，并且目标坐标信息的获取量较大，测量信息的精准性也可以得到保证，有利于构建出测量目标的三维立体模型，模型的精准程度也比较高。

激光测距原理和网络信息、数字建模技术是实现对目标测量和建模工作的两种核心技术。①激光测距与人工测距相对比来说精准度更高，使用连续激光器或者脉冲激光器将光发射出去，通过光反射原理实现精准测量，三维激光扫描误差较小，并且可以对侧面目标点位的信息进行获取，不仅可以有效避免人工测量造成的误差，还能够有效解决单点测量信息量不足的问题，使用三维激光扫描技术创建出的模型与实际地形基本保持一致，分辨率也比较高[1]。②通过激光测距可以获取到大量信息，对这些进行处理时就可以用到网络信息技术和数字建模技术。网络设备可以将三维激光扫描设备获取到的信息进行传输，然后集中整理，并且在数字建模软件中输入这些信息，可以实现自动化建模，让建模工作的效率得到大幅提升。

2 矿山测绘分析

准确率高和方便快捷是三维激光扫描技测绘技术最为主要的特点，三维激光扫描测绘技术的测量方法是架设三脚架来完成矿山各方面数据的采集工作，并且将测量得到的数据信息进行简单高速处理，以此获取矿山的三维数据。三维激光扫描测绘技术的有效应用能够将矿山外部的建站时间进行较大程度的缩减，十分高效的完成矿山内部和外部的三维模型建立工作，与传统的人力测绘技术相比较来说，具有很好的展示矿山情况的优点，有利于矿山测绘工作效率的提升。

在进行矿山开采测量工作中，必须要保证控制点的精度准确性，测量工作人员需要科学的控制矿山测量的精度，确保矿山测绘数据的准确性。平面控制网根据矿山的范围大小和现场实际条件，选择不同等级的GPS控制网作为首级控制网，再采用不同等级的导线点进行加密，导线测量时，尽量将GPS点作为已知点加以测量，按照闭合导线的要求测量，平差以后的成果才有更高的精度。高程控制测量根据精度需要，选择不同的测量等级，一般情况下，采用三角高程和水准测量的方法进行高程控制测量。

矿山测量技术是属于GPS技术的一种，具有非常高的数据测量精度，在矿山局部的数据测量过程中，能够对矿山数据进行实时的收集与更新，既可以实现对矿山局部的测量，又能够完成矿山整体数据的测量。对矿山测量的信息系统不断进行完善，让矿山维护、储存和管理功能得到进一步提升，从而实现矿山的科学化管理。

3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用优势

由于三维激光扫描技术具有高效性、便利性和高精度三个特点，在矿山测绘工作中应用此技术就有很大优势。

3.1 高效性

利用三维激光扫描技术能够对单点位信息实现快速获取，仅需要几毫秒的时间，并且对实施环境没有太高的要求，具有较长的有效测量距离，也不需要太复杂的准备工作，几分钟内就可以完成测量前的准备工作，在具体的测量过程中也可以实现自动化测量，整体测量工作可以在数小时内完成，此外，在测量过程中工作人员无需近距离接触测量目标，有利于前期的准备时间进一步缩短。

3.2 便利性

当前应用比较广泛的三维激光扫描设备，基本都可以实现数据信息的自动化输出，通过无线或有线网络能够直接完成数据传输工作，使得人工处理数据的工作量得到降低，大大提升了矿山测绘工作的效率。

3.3 高精度

三维激光扫描技术具有扫描距离远的特点，并且在实际测量过程中得到的点位数据误差非常小，一般情况下都会低于2mm，所以在开展测量工作时无需特意处理测量目标表面，也不需要验证核对测量后所得到的数据信息，可以直接对数据信息进行利用，有效避免了人工处理数据信息可能会出现误差的问题。

4 三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用

4.1 三维激光扫描技术的主要应用领域

三维扫描技术在矿山测绘中主要应用在以下三种领域中：①未开采或已经开采矿区的三维模型构建，可以直接利用矿区地表点位数据云对未开采矿区进行三维模型创建，过程较为简单，相对比来说，已经开采的矿区模型建立就比较复杂，首先需对矿区进行扫描，在这个扫描的过程中需要将三维测量设备安置在矿区巷道内，进行巷道模型的构建，而此模型构建的过程与外部三维模型构建相对比来说速度较慢，效率不高，造成这种情况的主要原因是受到外部测量条件的限制较大。虽然效率较慢，但它具有较高的安全性，确保整个测量过程中不会出现安全危险。②矿区开挖体积计算，主要是在露天开采的环境中应用，对于露天矿区来说，开采位置和非开采位置之间存在较大区别，区域特性可以通过激光扫描技术来进行识别，能够有效将需要开挖的体积进行确定[2]。此外，对分时模型进行有效利用可以进行对比观察，能够将矿山开采的测量时间点和已开挖体积进行进一步的确定，具有比较高的计算精度，得出的结果也可以在开采计划、开采产量和产能等方面进行有效运用。③对于采空区的整理和防护，矿山开采会对自然环境造成较大的破坏，尤其是采空区存在更大的危险，采空区可以为作业人员的人身安全带来严重威胁。传统的测绘技术难以在采空区进行有效利用，也存在较大的人身安全风险，而三维激光扫描技术可以对这种障碍进行有效消除，实现对采空区的精准测量，并且可以把技术支持提供给采空区的实时监控工作，从而使作业过程中安全风险大大降低。

4.2 三维激光扫描技术基本应用流程

三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用分为下面三个环节：①通过三维激光扫描设备对矿山的点位信息、测量面以及地质信息等进行快速获取。首先，利用人工观察将矿山的大致地质环境确定下来，将扫描设备的测绘参数设定好，比如探头、待采矿藏和实际执行范围等，确保矿山位置信息能够通过测绘信息反映出来。接下来进行激光扫描，对矿山待测面的三维点位信息进行获取。②三维立体模型建立工作。通过测量工作获取来的大量点位地质信息和三维信息，利用GPS系统完成定位，将矿山待测表面的立体图像构建出来，由此呈现出整体的矿山三维模型，有利于开采作业的规划和设计，还能够帮助作业检测和试供暖人员对矿山地质范围和作业环境进行更加透彻的了解，从而促进矿山开发效率和安全管理水平的提升。③以获取到的三维立体模型为依据，对矿山信息和数据系统进行更加丰富的扩建，并对三维激光扫描技术的实时优势进行有效利用，从而将动态监测系统建立起来。另外，对矿山初始数据和实测数据进行对比，用于采空区监控、开采作业位置监控和开采量计算等工作，从而实现矿山的综合性数字化管理目标。

4.3 矿区管理的三维立体化

4.3.1 矿区地表三维模型的建立

三维激光扫描技术可以为矿区地表三维模型的建立提供丰富的数据信息，对相关建筑设施进行扫描，获得准确的点云信息，将三维模型建立目标实现。不同模型的属性可以通过专门的软件来确定，能够将准确的信息提供给矿山管理工作，有利于管理工作的顺利进行。另外，还可在建立的模型中科学运用索引目录，方便有需要的工作人员对模型进行查看，只需电机目录索引，就可以快速进入有关的界面，使得矿山管理的数字化程度得以提升。

4.3.2 直观展现矿区地下巷道情况

三维激光扫描技术的应用可以收集矿区巷道内的所有数据，还能准确扫描到微小的变化。然后获取具体的点云数据信息，通过建立三维模型来讲巷道的实际情况真实的反映出来。此外，还可以实时掌握巷道内的实际工作情况，将矿区地下巷道场景进行直观的展现。通过此项技术，能够进行巷道内设施和设备的扫描工作，进而建立相关模型，对具体情况进行直观的了解。还可以与通讯设备相结合，确保具体信息能够被及时了解和掌握。以巷道模型为基础，可以对人员的具体位置进行立体定位，掌握工作人员的实际工作进度，并在此模型中确定相关监测设备，一旦发现问题就可以自动发出报警提示，让监测工作的可视化和立体化得以实现。

4.4 矿区Web点云的浏览和量算

三维激光扫描技术对矿山点云信息的获取有很大帮助，此技术配备的照相设备可以实现对矿山纹理的有效采集，并通过专门的软件设备来处理这些数据，最终形成Web点云，从而将矿山的实际情况展现出来。此外，对网络技术加以利用，通过三维形式将矿山的具体情况进行直观呈现，还可以呈现出具体的实景颜色。通过相关设备了解矿山的具体情况还具有较好的量算作用，能够得出比较适用的结果，从而让矿山的精准化管理拥有了数据依据。