三维激光扫描仪在露天矿山测量中的运用研究

兰舜涯

（云南华联锌铟股份有限公司，云南 文山 663701）

露天矿山地质环境的特殊性，决定其生产过程比较复杂，一定程度上增加其测量工作的难度。科学技术飞速发展，使我国出现更多更先进的矿山测量设备和方法，与此同时，也极大提高矿山测量工作整体水平。为保障采挖安全性，需要及时测量露天矿山采挖和采挖后土石填补过程。但是由于常规仪器受到精度和效率限制，无法满足矿山测绘工作需求，因此有必要引入先进的三维激光扫描仪，它不仅可以弥补传统仪器缺点，实现将实地环境信息转变成易于处理数据的目标，使信息更加直观，便于使用，还拥有较强扩展性，在空间形态上也可以保持高度准确性，还可以将采区三维数字模型生产出来，因此，它被广泛应用于矿山测量工作中。

1 测量露天矿山的主要任务

矿山储量地质测量是测量露天矿山的主要任务。矿山储量测量主要是在占用矿山储量登记的矿产报告或储量核算报告和上年度矿山储量年报基础上，通过对矿山采样测试、矿山测量、矿山地质编录等技术方式的应用，再整理出矿山地质资料，将矿山本年度开采量、损失量、资源储量减量数据估算出来，对矿山储量年度报告进行编制，然后结算本年度保有资源储量。矿体测算精度问题和历年有关储量数据一致性、连续性问题是矿山储量核心工作[1]。

对露天矿山地质测量内容主要包括：矿区基础控制网和矿山基础技术档案的建立；以规范要求为依据，对开采区域进行地质测量，从而将开采区域内矿体体积计算出来；检验地质测量成果；计算储量，制作矿图件；对年报进行编制等。

2 三维激光扫描仪工作原理

电源供应系统、控制器和扫描仪等构成三维激光扫描仪，在CCD集成仪器内部控制系统条件下，使激光测距与扫描功能充分发挥出来。在某种意义上，三维激光扫描仪操作原理类似于全站仪测量原理，例如利用激光对间隔距离和水平方向距离进行测量，经过计算得出的三维坐标具有精准性。在三维激光扫描仪中，运用激光测距仪，再加上激光引导，固定住具有一定转速的发射棱镜，借助激光测距仪将激光发射出去，这样反射就在被测物体表面产生了，计算观测点和测站点距离后，与水平方向和竖直方向测量数据相结合，再进行计算，最后将三维空间坐标得出来，而且具有高度精确性[2]。

3 三维激光扫描仪应用于露天矿山测量中的意义

由于三维激光扫描仪具有效率高、精度高、直观等优势，因此，它被露天矿山测量广泛应用。可以将人力和物力节省下来，使开采效率全面提高，有利于矿山企业持续、稳定发展。与此同时，三维激光扫描仪能够有效弥补传统扫描方法的缺点，在GPS技术之后，是又一项具有革新意义的技术，在被测物体上建立云点模型后，能将相关数据获取出来，利于全面了解和掌握被测区域情况，对于现代化矿山企业发展具有深远意义[3]。

4 三维激光扫描仪优势分析

众所周知，三维激光扫描仪获取物体表面采样点的三维坐标，能够直接被CAD/3DMINE等软件所使用，究其原因主要是三维激光扫描仪采集相关数据的方式是非接触式。这种获取数据方式具有特殊性，可以解决传统测绘点测量不足问题。此外三维激光扫描仪的优点还有以下方面：第一，非接触性，就是说利用该项技术对物体表面获取三维坐标信息时，可以不用接触物体表面，这样就可以将测量危险区域柔性目标的技术难题解决掉，而且采集到的数据具有真实性和可靠性；第二，获取数据的速度非常快，通过对三维激光扫描仪充分利用，可以实现每秒钟对十万采集点进行扫描目标，因此在获取大面积目标空间信息中，这种技术被广泛应用；第三，具有实时性、主动性和动态性。三维激光扫描仪作为一种先进的测量技术，不需要外部光源支持就可以进行测量，在发射激光回波信号的基础上可以实现对目标信息测量，这样就可以突破时间与空间的约束，因此该项技术在自动化监控中也得到良好应用。第四，使工作人员减少，将人工成本节省下来。传统的全站仪在测量过程中，通常需要很多工作人员，从技术角度出发，应用传统方式需要2-3个测量人员，但是三维激光扫描仪的工作人员是1-2人就可以将作业完成，极大节省人工成本[4]。

除了以上优势以外，三维激光扫描仪还具有高密度、高精度、穿透性和数字化特点。其中，穿透性是由于三维激光扫描仪自身具有较小采样间距，但是采样密度却极高，因此，对于不太浓密的植被而言，依然可以依靠部分激光到达目标表面，这样就可以将不同层面的几何信息获取出来。点阵和格网数据等采集方式具有高密度和高精度，一方面能够使采样点分布保持均匀性，另一方面因为其聚焦功能具有全自动性、自适应性，因此可以使点云数据的精度具有均匀性。数字化和自动化特征就是说该技术的自动化和数字化程度很高，极大方便了后续进行处理数据、转化格式和输出数据。该项技术还能够结合外置数码相机，这一功能可以有效扩展三维激光扫描仪适用范围，而且使获取到的地面信息具有高度准确性和完整性。借助外置数码相机，可以在对物体表面采集信息的同时将相应彩色信息获取到，因此，一方面将三维激光扫描仪技术应用范围扩展了，另一方面也促进数据测量准确性的提高[5]。

5 三维激光扫描仪在露天矿山测量中的运用研究

三维激光扫描仪是一种最先进的测绘技术，并且具有明显优势，将其应用于露天矿山测量中具有重要意义，因此，本文接下来进一步研究三维激光扫描仪在露天矿山中运用。

5.1 建立地面控制网

运用GPS结合三维激光扫描方式，可以建立地面控制网，在GPS静态观测下可以将矿区三等控制网完成，再借助三维激光扫描仪，对碎步进行高精度测量，将建立地面控制网工作完成。对于国家有关矿区测量的限差规定要求，三维激光扫描仪都可以很好满足。

5.2 建立矿山模型

利用三维测量扫描仪在测量碎步工作中，可以将碎步点坐标获取到，与此同时，还能够对矿山进行激光扫描，将矿山点云数据获取出来，借助数据后期处理技术，能够将DEM数据、数字点云模型获取出来，记录下矿山直观地形数据，有利于为以后做出安全生产决策提供数据支持和保障[6]。

5.3 获取数字线划图

在矿山开采模型的帮助下，1m分辨率的数字模型就可以实现高精度等高线划图的生成，数字线划图在拼接建模的条件下由高精度、高密度点云模型生成，可以将具体比例的地形线划图提供给矿山，这样就可以将矿山基础测量数据获取出来。

对于矿山基础设施而言，包括仓库、井架、扇风机机道、消防设施等，三维激光扫描仪都可以通过一次性扫描多个社会空间位置获取到空间数据，并且数据具有直观、形象特点，有利于模型的建立，经过矢量化后，以地形要素形式增加到矿山地形图中；三维激光扫描仪能够快速测量露天矿山，而且其等高线画图具有高分辨率，高数据质量[7]。

5.4 监测矿区、矿井设施沉降

对于矿山井下工程设施的沉降监测而言，它的主要目标是衡量矿井安全性，这是测量矿山最重要的环节。更为重要的是监测井口设施沉降，因为它直接影响到井筒和井下人员生命健康安全，运用三维激光扫描仪，能够获取到整体、精确的井口设施空间数据，在长期积累数据的条件下，可以及时将沉降变化发现。通过对该项技术的充分利用，可以完成对井口相对水准测量，而且可以测量到信息丰富的点位，获取数据更加全面，从而使模型更加直观形象[8]。

5.5 测量沉陷区

对地下矿山进行开采，不可避免造成地面沉陷，运用三维激光扫描仪获取到数据后，可以对沉陷区进行建模，通过点云模型，不仅将沉降区面积大小计算出来，还可以了解沉陷情况，对还耕技术进行评估。

5.6 测量巷道

借助三维激光扫描仪，可以实现井下扫描作业目标，促进整个井下巷道模型的建立，有利于对井下进行开采管理、对巷道进行变形监测、对井下进行定向控制监测、对主巷道进行测量与定向，给定腰线、掘进时中，贯通井下巷道、测量井下场地开拓超欠挖；计算矿量等。

5.7 测量横断面

三维激光扫描仪，不仅可以实现测量井下矿山的目标，还可以运用点云模型，对后生成的横断面线划图进行处理，以此为重要数据，将其提供给煤矿安全生产部门，这样就有利于对巷道进行变形监测，对应力进行分析。

6 测量露天矿山注意事项

在应用三维激光扫描仪对露天矿山进行测量时需要注意以下事项：第一，由于三维激光扫描仪的重量大，在三脚架不稳定时，无法保障设备的安全性；第二，为避免损坏设备激光发射器，棱镜不能出现在三维激光扫描仪仪器100m以内；第三，由于三维激光扫描仪具有较远测量距离，因此，对于其后视点的设置需要大于等于200m；第四，为避免损坏旋转螺纹，在搬运三维激光扫描仪过程中，不能将其上下把手同时握住；第五，为避免丢失数据，三维激光扫描仪的测量控制器距离设备距离不能是10m；第六，在对仪器高进行测量时，注意正负起算点。第七，根据天气情况，对参数进行设置，因为导致数据质量差的原因之一也包括天气设置错误[9]。

7 结语

总而言之，三维激光扫描仪应用于露天矿山测量工作中具有重要意义，它有效避免人为篡改数据情况，能够得到更加客观真实的储量数据。管理人员通过对可视化数据分析模型的充分利用，可以全面了解和掌握矿山状态与开采过程，并且对矿山储量实施动态监管。此外，三维激光扫描技术比传统露天矿山测量技术更为先进，它可以将更加准确、安全、可靠的信息提供出来，是我国当前阶段最为经济、有效的技术手段，为有效安全开展矿山作业，应将其大力推广并广泛应用于矿山测量中。未来发展趋势是3D激光扫描技术将会被更广泛应用于矿山测量工作中，对于工作人员而言，需要不断积累工作经验的同时积极创新，促进矿山测量质量和效率大幅度提升。