矿山测绘中三维激光扫描技术

林高峰

（江西有色地质测绘有限公司，江西 新余 338000）

国内矿山测绘领域持续时间较长，相应技术方法逐渐脱离常规人工测绘模式，自动化程度加深。三维激光扫描基于GPS，配以3D重建方法。此项技术把采集到的内容实施3D重建，形成数字化的测绘模型，应当是近些年使用较多的测绘方法之一。相关测绘机构依托于三维激光扫描技术，开发专业化的测绘系统，既能生成矿山的空间模型，又能把规划区域内的地质数据、地理特征与地表形态较为完整地呈现出来。

1 三维激光扫描技术

1.1 技术原理

该项技术是GPS定位系统之后，在测绘领域中的新型技术，其主要设备是三维的扫描仪器，在该仪器中设有高清相机、后处理程序、连接电源、附属装置等。其技术原理是：激光二极管按照周期性的规律，发出激光脉冲，通过透镜接收到测绘对象的反射信号，产生接收信号。系统会根据发射和接收两个动作之间的时间差，计算出仪器和测绘目标之间的距离，并把仪器镜头所在横向与纵向上的测绘角度，分别记作、，而被测点则是P，对应三维坐标是（x,y,z），关联公式如下：

结合以上公式，便能确认点P的空间坐标。总的来讲，三维激光扫描技术便是借助扫描仪对任务目标对象实施全面地扫描作业，并将所得结果加以统计整理，形成点云数据，由此提炼出三维坐标，绘制出对应区域的地形图。此项技术的运行流程图见图1。

图1 三维激光扫描技术在矿山测绘中的运行流程图

1.2 运用领域

三维激光扫描一般用在三个测绘任务中，即未采取与一采区模型构建任务、计算开挖量任务、矿山保护及优化任务。

首先，未采取与一采区模型构建任务。构建未采区与已采区的数字化空间模型，能直接借助的矿山的点云数据，生成完整的模型信息，此操作过程比较简单。相较来看，已采区建模难度相对更大。一是要求扫描对象是矿区。三维激光扫描期间，为了生成巷道模型，应当在相应空间内布设测量装置。和建立地表形态的三维模型比较，此项任务的操作进度相对偏慢，作业效率差，而出现上述问题的诱发因素一般是被外在测量环境影响。此项测绘任务虽然采集数据的过程较慢，但整个作业过程就比较安全，能保障测绘人员与仪器的安全。其次，计算开挖量任务。在计算开挖量的任务中，一般是露天开采情况。在该类采矿区内，采矿与非采矿的不同比较明显。借助激光扫描，能较快地获得目标范围特征，掌握开采量。最后，矿山保护及优化任务。实际采矿作业势必会破坏山体既有环境的状态，尤其是采空区，容易面临较大的危险问题，对测绘人员的安全产生威胁。采空区实施采矿作业中，普通测绘方法不能有效展现出此项工作任务的价值，而且人身安全同样很难得到全面保障，反观三维激光扫描能有效消除上述问题，采集到精确的测量数据，还能给采空区的动态监控予以技术支持，确实能消除矿山测绘中的诸多风险问题。

2 矿山测绘工作分析

三维激光扫描运用于矿山测绘中，其突出优势在于精准性高、快捷便利。在外业采集中，测绘人员搭设三脚架后，就能开展各类信息的采集作业，而且可以随机简单处理采集到的内容，借此取得矿山空间资料。此项技术的运用，切实降低野外建站的工程量，控制测绘准备工作的时间消耗，使矿山内外部的空间建模任务得以快速完成，和常规的人力测绘对比，能直接获取矿山信息，有助于加快测绘作业速度。

对于矿山开采阶段的测量作业，技术员应当先保障控制点精准度，测量技术员基于对此的合理管控，为测绘结果提供有力保障。另外，技术员还需结合目标矿山的区域面积、现场现实情况，挑选合适级别的GPS控制网，当成首级控制网。下一步则根据导线点的设定级别，完成对应加密处理。在导线测量中，技术员需把GPS点视为已知信息完成加密，并根据封闭导线标准完成测量工作，这样能保障平差后的结果精度。在高程测量方面，按照任务精度标准，选定合适测量级别，通常会选择三角高程与水准测量方式实现对高程参数的有效管控。

3 三维激光扫描在矿山测绘中的运用

现如今，三维激光扫描应当是矿山测绘项目中，比较常见的技术手段，其利用扫描仪发出激光脉冲，获得数据资料，完成相应处理与空间数字化重建计算，把信息经过有效处理后，确认不同方位的数据资料，并应用数据资料，依托于专门的软件程序，构建矿山测绘区域的空间模型。

3.1 采集数据及计算

测绘人员可使用扫描仪将划定的矿山区域实施完整扫描，得到相应的空间资料。此项技术属于非接触类的测绘方法，支持消耗较短的时间，就能完成对矿山自动扫描及测绘，仪器借助激光探测整体区域，将“时差”参数作为测距依据。根据激光的反射原理，当遇到物体后，随即反射回来，仪器自动记录激光往返的时间长度，就可计算出激光接触物体与仪器的距离。相关的技术参数要求见表1。结合表1所示，工作范围需从参数取值中选择，反之仪器仅能生成虚假图像。仪器发出的激光脉冲通常是每前进一毫米，仅需3.3ps左右的时间，鉴于激光脉冲自身所具备的高速特点，有效保障仪器的工作精度，测绘目标和仪器间距可用下述公式计算：

表1 测绘扫描仪的技术标准（部分）

d=vt

其中，d表示仪器与测绘目标之间的距离；t表示激光脉冲一次往返消耗的时间;v是指激光脉冲的速度。

三维激光扫描此种非接触的方法手段，可以帮助相关人员快速采集到立体坐标数据。其和普通的测绘方式相较，效率高、操作便利、精准性高，而且得到的资料采样率与可分辨性均有较大的应用优势。

3.2 点云数据匹配及坐标转换

借助三维激光扫描方式测绘矿山地形的任务中，由于仪器本身存在有效间距的限制，以及矿山环境的复杂性，令实际测绘中需要经过数次转站作业，这种工作模式下，使全部的点云数据均是仪器自定义坐标体系。为令矿山规划测绘范围内采集到的所有数据得以统一，应当把若干站点坐标集中在一个坐标系上。在进行此项工作中，为避免对整体测算结果的准确性与精度造成负面影响，应当把所有站点取得的点云数据统一到其中一个站点坐标上，对此可借助临近站点至少三处同名控制标靶，完成独立数据的配准作业。实际配准中，技术员可选择相对或是绝对两个思路，其中相对方式是根据一个站点坐标系，把其他站点的坐标信息都归纳到选中站点的坐标系上。此种处理思路运用到配准环节中，要求选择站点中需至少有三处同名标靶，如此才能保障数据配准的结果有效。并且相对处理思路下，随着站点数目增加，配准误差会随之加大。

绝对处理思路下，把激光扫描仪器和一般测量设备组合起来，先用普通设备测出各个站点坐标与标靶坐标，由此便取得测绘目标的绝对坐标数据，而后把不同站点坐标信息转化到绝对坐标上，使用此种方式无需考虑配准误差的问题，而且精度分布也比较均匀。基于此，本文建议使用全站仪测量出绝对坐标，支持信息配准。在取得空间坐标的前提下，为保障结果精度，可运用小二乘法，完成信息拟合。相关运行公式如下：

3.3 数据提取及形成等高线

三维激光扫描方法运用到矿山测绘任务的点云数据中，涵盖规划范围内地表的全部资料，也就是说，点云数据不仅包括测绘矿山的地形资料，还有附近的树木、建筑、电线杆等，以及噪音。所以，为提升地形测绘结果的可用性与品质，就应考虑过滤及筛除非地形的资料。此处选择Cyclone程序完成该类任务，基于此，利用CASS程序，根据设置等高距离人工操作确定目标范围高程点信息，直接点击进入系统相应的功能模块，便可获得测绘地形等高线。技术员把所得等高线图形和地物图像在叠合后，完成编辑加工，消除等高线个别不平顺、缺漏、扭曲等情况，并对照扫描影像，人工比较改动，最终设置各个高程标注点，生成等高线图的图框作为修饰。

4 矿山三维激光扫描的立体化支持

4.1 建设地表空间模型

利用三维激光扫描能够给矿山地表空间模型予以基础数据材料，通过对有关设施条件实施扫描，取得精确的点云数据，达成建模目的。各个模型实际属性能利用相应的软件程序确认，并用精确数据为矿山作业予以稳定基础，有助于工作行为有序开展。同时，在建模期间，技术员应当合理使用索引目录，便于相关人员通过模型查找所需内容，快速进入到操作界面，加深矿山作业的现代化程度。

4.2 直观输出巷道状态

依托于三维激光扫描，能够快速采集到巷道中的全部信息，并可以捕捉到极为细小的改变，提取到详细点云数据内容，并利用空间模型显示出巷道当前的工况。同时，技术员也能随时了解巷道中的工作状态，把实际地层中的场景通过屏幕输出。利用该项技术，支持完成巷道中设备机组的扫描作业，并形成相应的数据模型。另外，矿山作业中，技术员可把此和通讯装置搭配，保障相应信息可以及时反馈。比如：在巷道模型中，能够直观显示出该空间内工作者的三维定位，操作人员可以借此了解其作业进度，而且在该模型上连接监测装置，能在巷道内发生异常后，迅速发送警报，提高监测作业的可视化与空间性。

5 三维激光扫描矿山测绘的精度评价设计

5.1 确认扫描仪器

三维激光扫描方法用在矿山测绘任务中，具体仪器就是专门的扫描仪，如今市面上有不同的类型，技术员需结合具体测绘需要选择合适的扫描仪器。比如：ILRIS型号的仪器，具有优异的可视化性能，而且扫描的范围较大，能达到1000m～1500m，比较适合矿山测绘任务。

5.2 传感装置电路

根据对激光扫描测绘的精度评价要求，相应运行系统的设计应当结合其特点实施。其中，硬件方面应当达到该类测绘任务精度的评估稳定性、时效性的要求。此次选择对数检波放大方法，制定超声波的传感装置电路，保障其灵敏度与续航时间满足矿山测绘任务的要求。一般情况下，该类传感装置接收超声波的探头在部分检测任务应用中，灵敏度并不高，所以选择前置放大装置，可以防止在传播期间超声波发生反射及衰减的情况。另外，既属于低噪音的放大装置，又能预防信号处理期间被外界扰动。在该传感装置线路中，把无极性的电容耦合连接至传感装置两处INPUT口，和接地电阻构成滤波装置，并在各个电源连接的位置，设置一处贴片封装电容。在实践作业中，为降低信号处理动作对传感装置信噪比的干扰，预防噪音耦合来到前置放大装置处，应当挑选支持自由调整阻值的电位器。

5.3 构建数据库

在评估激光扫描测绘精度的系统中，数据库是用于管理及保存，给之后衡量测绘结果的精度提供基础信息。该项数据库内具体会保存地质测绘资料与剖面图、地表形态资料等，此处所示的3D数据库是基于针对矿山地质探勘信息的汇总与分析，数据库形成期间，需把相同坐标点转化成初始格式，实施图像编辑时，技术员应当先确认目标矿山地质体和地质条件形成的制约条件，生成局部图纸，把若干局部视图加以汇总整理，能够直接反映出矿山真实的场景，最终导出信息。构建此项数据库，能够提高测绘结果的可用性，令信息数据更为直观清楚，方便测绘技术员了解矿山实际情况，在现场作业中可以为测绘工作员予以较好的保障。

5.4 建立空间模型

通过建立矿山的空间模型，有利于测绘技术员实时掌握目标区域内地质构造、矿山类型等资料，对此主要借助计算机与图像图形绘制的方法完成数字化建模，并依托于可视化与立体数据化通过操控屏幕输出。建设空间模型的环节中，技术员应当先确认目标区域的坐标定位，并且在转化坐标数值中，还需避免对内容精度造成负面干扰。同时，利用几何参数化与拓扑数据等，生成地质矿体，从中找到地质特征，如边界线与等值线。相关技术员可选择适宜的提取方式，包括规则和不规则两类，设定数据场的等值线，另外对于空间模型来说，边界线参数也是极为关键的，如：脊线、轮廓线等，其中针对后者，能将形态、色彩与纹理等特征作为指标，而且闭合边界线绘制应当结合矿山现实状况合理选择生成方式。

5.5 评估测绘数据精度

矿山测绘任务中，所得结果的精准性，应当是作业技术员首要考虑的要点，本文所述的评估系统，可针对单个测点、外延伸等内容的精度加以判断，实际评估时应当按照上文提到的方法，提炼处理空间点云数据，该类信息整体是离散分布状态。在单点的定位测试中，应当对相应静态点位的测绘精度进行评估，选择三维扫描方法，完成测量定位，用于作业精度评估的比较对象，通过定位接收机获得的信息支持精度评估。而对于外延伸测绘情况的分析，通常需要对该类信息先行处理，确认其实际误差是否满足矿山测绘精度标准。

5.6 测绘精度评估效果

为验证上述系统的可用性，采用实验论证的方法和常规测绘系统比较，衡量测绘精度水平，相关的运算公式为：

X=A-B

其中，X表示精密度；A是指单次的测绘结果；B代表测绘结果的均值。

本次一共开展五次测试，相应比较结果见表2。结合表2内容所述，数次实验结果显示，本文所述的精度测绘精度均值达到91.94%，而常规方式测绘精度均值仅达到80.226%，相差10%以上，所以上文所述的精度评估系统运用效果要远超过常规测绘管理方法，并且结果信息比较稳定，对于矿山测绘以及矿产资源开发与使用，都有较好的作用。

表2 精度评估结果比较结果

6 结语

通过三维激光扫描，能够快速生成详细的矿山地形图，其中采集和处理的点云信息包含矿区地表的全部资料。和普通测绘方法比较，该项技术应用优势极为明显。但时至今日，探查、绘制大范围开采地形图的任务重，三维激光扫描还不能提供实时处理采集信息与高精度图纸，仅能通过连接其他专业程序进行。所以，对于该项技术的后续研究开发中，应当着重从这两方面开展，推动此项技术稳步成长。