三维激光扫描技术在矿山尾矿库安全监测中应用

王志军

1 引言

矿山尾矿库的安全监测对于加强尾矿库的安全监管，把握矿山的安全现状，减少尾矿库的事故发生等具有重要意义。当前，我国尾矿库安全运行的主要技术参数如坝体形变位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量，安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。将三维激光扫描测量技术应用于尾矿库安全监测，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握尾矿库的运行状况和安全现状，可以提高尾矿库的安全性，保障库区下游企业正常运转及库区人民群众的生命财产安全，避免因尾矿库事故而造成的环境污染，保护生态环境。该技术已作为欧美大部分国家和地区道路、隧道、高层建筑、矿山的主要检测手段之一，多个国家已将该技术作为道路、隧道、高层建筑、矿山施工的强制性质量监督手段。

在矿山安全监测监控体系中，三维激光测控技术是前沿热点和亮点，该测控技术具有非接触、高精度、快速、海量信息、全自动化、便捷的显著优势。本文针对矿山尾矿库复杂的应用环境，监控精度要求、点云数据采集、误差要求等问题提出监测监控方法，通过三维激光测量技术可对矿山进行监控，为矿山尾矿库周边环境、坝体位移、沉降情况提供科学准确的测量数据，同时也能及时掌握矿山关键部位位移等情况的趋势，对提高矿山危险源的安全性，保障矿山周边企业正常运转及库区人民群众的生命财产安全，避免因矿山事故而造成的环境污染，保护生态环境等具有十分重要的科研价值和现实意义。

2 三维激光扫描技术介绍

三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，有人称“三维激光扫描系统”是继GPS (Global Position System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。

三维激光扫描技术在矿山尾矿库安全监测监控中的应用具有如下优点：速度快，瞬时扫描大量点云数据，快速对三维场景进行1:1复制，采样速率高，对目标的描述细致；三维数据点云的三维几何场，采样点数丰富, 形成了一个基于三维数据点云的三维几何场, 这能有效避免以往基于变形监测点数据的应力应变分析结果中所带有的局部性和片面性；非接触，数据获取采用主动式激光获取，不需要测量合作目标，能够实现对保护目标、危险区域或测量人员难以到达的区域进行测量；周期短，便于动态分析，短期获取大量数据，便于动态变形分析与预报，快速为决策者提供依据；全天候测量，三维激光扫描仪可以全天候的进行测量，无需光照需求，传统方法必须在白天或者较明亮的地方进行测量；真实再现性，三维激光扫描技术可将各种实体和实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标三维模型及线、面、体等各种图件数据。所生成的点云数据是实际物体真实尺寸的复原，结合高分辨率的数码相机，可以真实地保留对象物体的纹理色彩信息。

图1 矿山尾矿库三维激光扫描安全监测技术路线

3 三维激光扫描数据获取

对于不同的矿山尾矿库以及不同的监测要求，采用了包括相位式和脉冲式两种三维激光扫描技术在内的多种三维激光扫描设备，因此在研究中需要分析各种三维激光扫描设备的数据获取方法，数据处理方法和数据融合方法，从而得到可广泛应用的尾矿库三维激光扫描测量方法。

3.1 现场踏勘与定点

在采用脉冲式三维激光扫描设备时，由于该类设备的扫描范围为1000m及以上，且在使用中通常采用400m以上的远距离扫描，因此在进行尾矿库三维激光扫描时需从多测站角度对尾矿库坝体，水域及周边环境进行扫描。在扫描前需要根据项目的要求和具体情况进行分析,以确定扫描方案。一般先确定需要扫描的范围，在确定扫描范围后应根据手上的设备类型来初步决定扫描站点的位置分布，应确保扫描范围覆盖尾矿库坝体、水域、排洪系统及上下游重要区域。在扫描过程中如需采用GPS系统或全站仪辅助进行站点及后视点定位时，通常需要使用已有控制点进行定位和坐标转换。

3.2 扫描实施

确定扫描方案后，就可以具体实施扫描，在方案定下的扫描站点上架设三维激光扫描仪，架设扫描仪时应将扫描仪适当的架高，一来较高的机位能够避免扫描仪被周边物体过度遮挡；二来也能够避免扫描激光束与地面夹角过小而造成扫描精度下降。使用脉冲三维激光扫描仪对目标进行扫描时，应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体以大大减少扫描时间，提高效率；使用相位三维激光扫描仪扫描时则可以进行全景扫描。点云的密度取决于激光点位间隔，对细节较多的建筑应采用1cm激光点位间隔扫描，墙体平滑的部分可采用2cm及以上间隔。另外，扫描区域周围的人流也会产生噪点，扫描后应及时观察点云以确定是否需要补扫或重复扫描。扫描完成后，还要对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。当扫描仪自带摄像头像素太低不能满足贴图要求时，要用高像素数码相机手动补拍。照片可作为该区域建模后的贴图使用，也可为多站拼接提供参考。

3.3 点云数据处理与建模

云的预处理。由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人树木的遮挡，及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云经行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中，需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。

点云拼接。对于在不同扫描站点得到的扫描数据，需要对其进行拼接以将它们归纳到统一的坐标系中去。相位式三维激光扫描仪数据拼接的方法通常有靶标拼接和点云特征点拼接两种：靶标拼接使用控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；而对于靶标缺失或不全的点云，利用公共区域寻找同名点对其进行两两配准。点云特征点拼接为两两配准，为了将所有点云转换到统一的控制网坐标系下与控制点配准法得到点云配在一起，两两配准时要求其中一站必须为已经配到控制网坐标系下的点云。拼接完成后，可以在软件中查看拼接报告，各个点云间的拼接精度不超过5mm时为佳。脉冲式三维激光扫描仪数据的拼接方法主要有使用站点及后视点坐标拼接和点云匹配两种。

建立三维模型。当通过扫描及拼接获取大量离散的空间点云数据后，在此基础上来构造三维模型。首先利用逆向工程软件，如Geomagic、Polyworx、I-site studio等对扫描点云数据进行处理，生成DTM模型，然后根据DTM模型进行参数提取、地形图制作等工作。

3.4 点云的漏洞修复

由于点云本身的离散性，会导致模型存在一定缺陷，需要在多边形阶段对其进行修补、调整等操作后，才能得到准确的实物数字模型。由于建筑物形状复杂多样，所以目前网格的修补难以实现全自动化。点云数据的漏洞修复主要采用两种方法:当空洞出现在平面区域内，比如窗户或者墙面上的洞，可采用线性插值的方法填补空洞数据;当空洞出现在非平面区域，如圆柱上出现的漏洞，可采取二次曲面插值方法。

3.5 维激光测量精度控制

为验证项目所使用三维激光扫描测量仪实际精度以及可能测量误差范围，本项目参与人员在室外选定试验场中进行三次三维激光扫描仪精度实验，用以验证三维激光测量实际精度。第一次实验时间为2014年5月27日，实验位置室外，天气晴，温度27度，无风。实验目的是通过三维激光扫描仪对不同距离处的标准版进行扫描，比较每次扫描结果中扫描点间距变化情况和测量标准版上靶标间距，测试扫描仪对于平面扫描时点间距和扫描结果的测量误差变化情况。

为了对三维激光扫描测量的精度进行有效控制，根据对三维激光扫描设备实验结果和工程测量以及重大危险源监测中的要求，三维激光扫描操作需要满足以下操作要求： 在现场数据采集时，应保证相位式三维激光扫描仪与目标间的水平间距不超过20m，以保证三维激光扫描仪的线性误差和点云密度均小于1.5mm，并且减小角度精度误差。应保证脉冲式三维激光扫描仪所获数据点云中点云分辨率小于20mm；三维激光扫描中所使用的控制点均应使用1’’全站仪进行控制点测量，并采用多次测量的方式保证测量误差小于1.5mm，以此减小全站仪控制点测量误差和人为操作的误差；现场数据采集时，应避免在雨、雪、强烈日照等环境下工作，以减少环境影响引起的噪声误差，且被测罐体表面若光滑且反射率较高或较低时应采用喷漆等方式调整反射率至50%左右；三维激光扫描数据处理时，若需要降低分辨率时应保证点云分辨率不大于20mm；三维激光扫描数据拼接时应尽量采用软件自动识别靶标中心以减小人为误差。三维激光扫描数据拼接误差由数据拼接软件自动计算标准差，其中任意控制点的标准差均应小于3mm。

4 矿山安全监测

4.1 矿山形变监测

在尾矿库安全监测监控中，对尾矿库坝体的整体沉降与形变的监测会为尾矿库安全情况的分析提供依据，因此通过利用三维激光扫描技术获取尾矿库坝体的整体几何外形并进行沉降与形变情况分析是尾矿库安全监测的一项重要内容，本文选用2013年7月及2013年9月两次对四川省阿坝州某矿山尾矿库的大小两处坝体进行三维激光扫描并进行尾矿库形变监测的应用示范。

图2 矿山尾矿库坝体形变情况图

图3 矿山库容变化图

由与坝体上植被高约为100mm，因此形变量在-100mm至+100mm内均应属于允许范围，故形变量在允许范围内的数据占总数据量的90.78%，因此可以判定该坝体的形变在可接受范围内，该坝体目前结构稳定。与坝体上植被高约为100mm，因此形变量在-100mm至+100mm内均应属于允许范围，故形变量在允许范围内的数据占总数据量的79.04%，因此可以判定该坝体的有20%形变超出可接受范围，该坝体目前结构较为稳定，但需要进一步关注与监测。

4.2 矿山位移监测

在矿山尾矿库安全监测监控中，对尾矿库坝体的位移通常很小，因此对于尾矿库坝体位移的监测精度要求相对较高，通过利用高精度的三维激光扫描技术将能够获取尾矿库坝体的整体几何外形并进行位移情况分析，本节于2013年7月及2013年9月两次对四川省阿坝州某矿山尾矿库的大小两处坝体进行三维激光扫描并进行尾矿库位移监测的应用示范。

通过对两处尾矿库坝体在2013年7月及9月两次测量的最终数据选取坝体底部拦阻墙进行切面处理，建立切面模型。为两处尾矿库两次扫描结果对比，通过对比及测量红色线代表的2013年7月测量结果及蓝色线代表的9月测量结果可得出两个尾矿库坝体在两个月中水平位移均小于1厘米。坝体位移均为安全值，坝体结构稳固。

4.3 矿山水域情况监测

在尾矿库监测中对于库顶水域的监测是一项重要内容，其中库顶水域面积、安全超高、干滩长度都对尾矿库安全稳定性具有决定性影响，因此对尾矿库库顶水域情况进行监测是尾矿库三维激光监测监控中的一项重要工作。

在对米易县某矿山尾矿库进行三维激光扫描监测的过程中，根据2014年12月5日17时29分三维激光扫描测量结果，库区面积599,927.153m²，库顶水面高程1529.1，库顶高程1535米，安全超高5.9米。库顶干滩长度432米，最小干滩位置高程1532.7米，安全库容1739788 m3。根据2011年12月安全现状评价报告，2011年10月14日实测干滩长度323m，安全超高2.8m。

4.4 矿山新增排放方量计算

通过对在排放的尾矿库多次扫描后进行模型比对，可以较为精确的计算尾矿库的排放情况，从而实现及时的安全监测与监控，为安监部门工作提供数据支撑。根据2013年12月8日及2014年12月5日两次对攀枝花某矿山尾矿库进行三维激光扫描，通过将2013年12月数据与2014年12月测量数据对比，计算得出新增库容为5,709,090.601m³ ，新增坝顶高10.4米。

4.5 矿山各台阶坡面监测

通过在尾矿库三维激光扫描点云数据和模型中进行测量及计算，可以分别计算出尾矿库各台阶的坡面数据，从而与设计值进行比对，以判断尾矿库每级坝体的边坡设计是否符合安全要求。对2014年2月盐边县某尾矿库及周边环境的三维激光扫描及安全监测中，通过对尾矿库坝体进行三维激光扫描并建模，提取得到尾矿库台阶剖面总体情况。选择初期坝、子坝等7个不同标高平台，测量坡比（坡面角）和平台宽度（最宽、最窄），实测数据与设计参数对比，平台宽度和坡比均满足设计要求。

5 结论与讨论

根据本次研究对三维激光技术在矿山尾矿库安全监测应用中积累的经验与研究成果，得出以下结论与建议:三维激光扫描技术可用于矿山重大危险源测控及安全监管；三维激光扫描技术可用于矿山非煤矿山采场、尾矿库、排土场等重大危险源的监测与预警；不同三维激光设备的数据间可以实现数据融合；三维激光扫描技术可精确的反应非煤矿山采场、排土场、尾矿库等重大危险源的真实几何外形和地形情况，从而起到重大危险源监测预警的作用。建议以此为契机进一步开展关于三维激光技术在重大危险源安全性检测与对周边环境影响评估的研究。