三维激光扫描技术在梅山铁矿尾矿利用量测量中的应用

2022-03-18程华伟钱小峰

现代矿业 2022年2期

程华伟钱小峰

（南京宝地梅山产城发展有限公司矿业分公司）

梅山铁矿是国内距离大城市最近的一座大型地下矿山。随着开采规模的扩大以及开采年限的增长，尾矿的处理已成为关乎矿山持续发展的生命工程。近几年梅山铁矿一直响应国家低碳减排号召，在绿色矿山建设、尾矿的综合利用方面走在了国内同类矿山的前列。矿山为实现对尾矿使用量的精确管理，在测量方法上进行了探索［1-5］。

1 工程背景

尾矿使用量测量是评估尾矿综合利用率的一项重要基础数据。梅山铁矿共有3个尾矿库，目前进行尾矿综合利用的是位于南京江宁谷里街道的梁塘尾矿库（图1），库区范围约为272 725 m2，如果采用传统的全站仪+棱镜或者GPS-RTK 打点测量，工作量巨大，效率低下，而且由于尾矿利用范围的不确定性，传统测量方法无法满足测量需求。三维激光扫描技术是一种新型的测量技术，原理是通过高速激光扫描测量方法，大面积、高分辨率地获取被测对象表面的高精度三维坐标数据以及大量空间点位信息，可以快速建立高精度、高分辨率的物体真实三维模型。本研究尝试将三维扫描技术运用到尾矿利用量测量中，通过采用三维激光扫描仪选择性地对尾矿利用范围进行点云数据快速采集，后期采用专业数据处理软件对点云数据进行数据解算、坐标匹配、点云抽稀、降噪，获得尾矿利用范围内大量带有三维坐标信息的点云数据，进而通过计算体积变化值得到尾矿的利用量。

2 三维激光扫描测量步骤

2.1 尾矿库原始地貌扫描

在尾矿综合利用之前，需要对整个库区的地貌进行整体扫描，以掌握库区尾矿原始点云数据，为以后的测量计算提供基础条件。由于库区范围较大，需进行分站扫描。通过前期对三维扫描仪的学习、使用、试验（梅山铁矿使用的三维激光扫描仪为Geoslam型手持式扫描仪），针对尾矿库的地形，将库区划分为5个测站，每站按照不大于300 m×200 m的矩形划分，每站扫描的时间控制在20 min 以内。为了控制扫描数据的变形和保证不同测站数据的拼接精度，在每个测站区域范围内均匀布置6 个控制点，相邻测站保证有3个公共的控制点进行数据拼接，同时为了计算数据的统一，需将扫描的点云数据坐标匹配到统一的坐标系。在项目实施初期，通过布设23个控制点、划分5个测区、采用Geoslam手持式扫描仪完成了对整个库区内尾矿点云的扫描采集工作（图2），共扫描点云量约13 亿个，后期通过对数据抽稀、降噪等处理，保留约7 000 万点云量，作为整个尾矿库区的原始点云数据，为后期项目开展提供了准确的基础。此工作仅耗时约2 h。

2.2 每月尾矿利用量测量

为了提高测量的效率，充分发挥三维激光扫描仪测量灵活的特点，每月（梅山铁矿尾矿利用量测量周期为一个月）尾矿利用量测量可现场根据本月尾矿使用范围划定区域，采用三维激光扫描仪进行扫描。为了控制扫描数据的变形，根据扫描区域的大小和形状，合理布置控制点（不少于3个）。确定每月5 日为尾矿利用量测量日期，以提高数据的可比性。外业测量包含布设控制点、点云扫描等工作，约在40 min 的时间内完成约5 000 万个点云量数据的采集（图3）。相比传统测量手段，大大缩短外业测量时间，提高了工作效率。

2.3 每月尾矿利用量计算

将本期的尾矿利用量扫描的点云数据采用专业的数据处理软件（梅山铁矿数据处理软件为Realworks）进行数据解算、坐标匹配，得到了带有统一坐标系的三维点云数据，与上期的同区域尾矿扫描数据进行叠加，取统一起算面（通常选最低点）分别计算起算面以上尾矿的体积，体积的变化量即为本月的尾矿使用量。

2.4 尾矿点云数据更新

为了保证尾矿利用量测量数据的连续性，需要将本月的尾矿利用量扫描的点云数据替代上月扫描的点云数据，作为下月计算的基准值。采用了天宝Realworks 处理软件中2D 画图功能（不可采用3D 画图，会造成区域切割的不统一），按照本月扫描范围划出范围线，将此范围线套合到上月的基准点云数据上，删除范围线内的点云数据（图4 左），同时需要将本月范围线内的扫描点云数据转换成rults 点云格式，因为采用了统一的坐标系，这些点云数据都有统一坐标系下的三维坐标，可以直接加载到上期的基准点云数据上，实现了尾矿利用点云数据的更新（图4右）。

3 精度分析及检测

影响三维激光扫描技术测量精度的主要因素就是点云的三维坐标精度，扫描变形、坐标匹配等步骤中的误差积累，都会影响最终的结果。

项目实施过程中，必须严格执行最新版的《工程测量标准》（GB 50026—2020）中关于三维激光扫描技术的规范要求，同时针对出现的一些具体问题，比如扫描点云出现扭曲变形、点云出现“飞点”、坐标匹配误差超限等，制定了分站扫描，控制扫描区域大小和扫描时间，布设固定控制点，提高控制点测量精度。这些措施有效地控制误差积累，提高测量精度，确保测量数据的准确性。

为了验证扫描点云的精度，在扫描的点云数据中，选取了10个诸如房角、旗杆、标志牌等特征点，在天宝Realworks处理软件中采集了这些特征点云的三维坐标，然后采用了GPS-RTK 测量的方法对这10 个特征点进行三维坐标测量。按照最新版的《工程测量标准》中1∶500 地形图测量规范，点位误差不超过50 mm 为合格。通过数据比较（表1），平均坐标差值ΔX=20.9 mm，ΔY=20.9 mm，ΔZ=29.5 mm，均没有超过限差要求，三维激光扫描技术在尾矿利用量测量中的精度完全满足生产需求。

4 实用性分析

通过实践得知，高程的精度是影响尾矿利用量测量精度的最重要因素。精度检测的数据表明，高程的误差值（20～30 mm）明显高于平面坐标，影响最终计算结果的误差率约在2%～3%。以项目实施过程中2021 年6 月的计算结果为例，最终误差在461～692 m³，对统计部门准确评估尾矿的综合利用率有一定影响。在项目实施过程中，虽然尝试了增强控制点个数、调整控制点点位等一些措施，但在提高扫描点云的高程精度方面，效果不算太明显。在今后的工作中，提高扫描点云的高程精度，值得进一步思考与探索。

为了验证三维激光扫描技术在尾矿利用量测量中优势，在尾矿库区内选取200 m×200 m 的区域，分别采用了Geoslam 手持式三维扫描仪、Leica-ts16 全站仪、Topcon-GR-5GPS 进行一期尾矿利用量的测量。三维激光扫描根据最新的《工程测量标准》要求并结合仪器的性能，扫描路线间距不超过100 m，扫描仪距扫描对象的最大间距不超过50 m；全站仪+棱镜和GPS-RTK 打点测量根据1∶1 000 地形图测量规范，按照点间距不大于10 m 的要求布置测点。内业数据处理作业中，三维激光扫描点云数据采用Realworks 进行数据处理，全站仪+棱镜和GPS-RTK 采用南方Cass7.0进行数据处理。

分别从测量点数、内外业作业时间及作业人数进行比较（表2）。三维激光扫描点云的数量比传统的2种测量方法有了几何倍数的增长，这样确保了外业测量数据能比较真实客观地反映库区地貌地征，大大提高了最终计算结果的精度。工作效率方面，外业测量的时间大大缩短，减轻了外业作业人员的劳动强度，符合现代测量的发展方向。内业数据处理时间虽然提高约20 min，但其中大约有一半的时间是电脑自动解算数据的过程，不需要人为干预。