三种数字测量技术在矿山测量中应用优势分析

李明皓，石 林，朱复兴

(贵州紫金矿业股份有限公司，贵州 贞丰 562200)

0 引言

随着现代信息技术的高速发展[1]，测量技术实现了质的飞跃。数字化测量技术是现阶段测量技术的典型代表，因其具有测量精度高、测量效率高等优点，在土木工程、隧道工程、采矿工程等实践工程中获得广泛应用。当前，我国矿山企业正处于从传统矿山向数字化矿山、智能化矿山转型的关键阶段，数字化测量技术为矿山的成功转型提供了重要的技术支撑和保障。

1 “3S”数字化测量技术

1.1 “3S”测量技术简介

“3S”数字化测量技术是指GPS、GIS和RS三种数字化测量技术的集合。

GPS技术是指通过卫星定位和导航技术，结合现代通讯的方法进行工程测量[1]。通过GPS测量系统，可精确的提供测量地点的位置坐标，通常情况下，GPS可提供5 m左右的定位精度，其测量原理可分为静态定位测量原理和动态定位测量原理。随着该测量技术在矿山测量工程中的逐渐应用，极大程度加快了矿山信息化、智能化的发展进程。

GIS是地理信息系统的简称，可对三维地理分布数据进行全方位采集、分析及存储等，同时也能站在不同角度对数据进行解读[2]。在矿山测量过程中，通过使用三维GIS测量技术对矿山地理空间进行三维建模分析，不仅能够使矿山测量的精度和可靠性获得大幅提高，还可提高矿山测量工作的自动化和智能化水平。

卫星遥感测量技术，简称RS技术，其核心理论为电磁波理论，主要工作过程是使用各种传感器对采集到的电磁波信息进行分析处理。从当前RS技术在矿山测量中的实际应用来看，微波遥感测量是当前矿区观测测量的重要方向之一，其在矿山环境的调查分析、监测监督等方面都取得了较好的测量效果。

在矿山实际测量中，通过引入集GPS技术、GIS技术和RS技术优势于一体的3S测量技术，可避免单一测量技术的局限性，实现复杂地形的准确测量。GPS技术和RS技术获取空间信息，实现了有“眼睛”看，GIS利用其处理信息能力对收集到的信息加以整理和区分，实现有“大脑”思考，做到了三种测量技术的有机结合，可圆满完成地面的详细勘察。

1.2 “3S”测量技术特点

1)高准确度。通过计算机技术与电子测量技术的结合，“3S”测量技术可实现数据结果的直接显示，极大程度上减少读数误差，降低测量数据的处理和分析难度，有效提高结果的准确性。

2)高效率。“3S”测量技术通过使用计算机建模仿真软件对大量的实测数据进行三维建模处理，可快速展示矿山的整体状况，直观的将矿山的地形地势、环境状态等表现出来，极大程度地提高了矿山的测量效率。

3)大范围，低成本。与传统的单点测量方式相比，“3S”测量技术可实现大范围的区域测量，很大程度上减少了矿山在财力、人力、物力等方面的投入。

2 矿山三维激光扫描测量技术

2.1 三维激光扫描测量技术基本原理

三维激光扫描技术的工作原理：在仪器内通过两个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间差来计算距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标[3]。图1为激光扫描仪测量原理示意图[4-5]。

图1 激光扫描仪测量原理示意图

在矿山测量中，在采场或巷道中放置三维激光扫描仪，对测量区域进行定期扫描，获得现场实测数据。随后，利用计算机软件系统对实测数据进行处理，建立三维可视化的采场模型或巷道模型，展示矿山各工程间三维空间关系和工作场景，掌握矿山的开采进度，实现对矿山的实时动态监测。

2.2 三维激光扫描测量技术优势

1)非接触式测量。该测量技术不需要反射棱镜，采用非接触方式测量，直接采集测量目标表面真实的三维数据。在露天矿山台阶边缘、矿山爆堆、井下巷道及采空区等区域进行测量时，应用三维激光扫描技术能充分保证测量人员的安全。

2)数据采样率高。传统测量过程中，无论是露天矿山还是地下矿山，都需测量人员进行单点测量，测量人员须在测量点之间来回移动，这不仅加大了测量人员的工作量，而且也导致测量效率不高。在三维激光扫描技术中，采样点速率可达到数千点/秒，有的甚至可达数十万点/秒。

3)高分辨率。该测量技术可实现高速、高质量、高密度的三维真实数据采集，从而达到高分辨率的目的，其测量精度可控制在毫米级范围。

4)数字化采集。测量采集的数据为数字信号，便于后续处理、分析、显示等。

5)体积小，重量轻，具有防水、防潮等功能，能适应多种测量场景。

3 无人机倾斜摄影测量技术

3.1 无人机倾斜摄影测量技术基本原理

无人机倾斜摄影测量技术是指在某一飞行平台上同时搭载多组传感器(一般为五组)，在飞行过程中同时从多个角度(垂直、倾斜等角度)采集包含地面地物准确信息的影像。垂直影像包含待测物的顶面信息，倾斜影像能够提供待测物的侧面信息，顶面信息与侧面信息结合可满足待测物三维模型生成的需要。后续建模过程是基于倾斜摄影测量原理开发的。具体建模过程见图2。

图2 无人机倾斜摄影测量建模流程图

3.2 无人机倾斜摄影测量技术优点

1)机动性强。相对于传统航测大飞机而言，无人机具有体积小，重量轻，移动方便等优点，且可在多种环境下进行使用。

2)精度高。该测量技术可实现低空近地测量，飞行高度100～1 000 m，获得的高分辨率图像基本可以满足1：500至1：5 000测绘比例尺的绘图要求，这在高陡边坡、尾矿库、排土场等监测项目中具有显著优势。

3)成本低、风险小。无人机结构简单，易于组装，成本低，市场上现有无人机价位从几千到几十万不等。在自然灾害等困难的地区，如沙漠、森林等进行作业时，即使无人机受到损坏，也能保证野外测绘人员和数据安全。

4)测量结果更具真实性。通过倾斜摄影测量技术建立的三维模型可从多角度观察地物地貌，能更真实的反映地物的实际情况，相比于传统建模方法更加真实[6-7]。

4 结语

首先对矿山常用的数字化测量技术进行了简单的梳理，而后着重介绍了“3S”测量技术、三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影测量技术的测量原理与技术优势。基于三种数字化测量技术的测量原理和技术优势，对于露天开采的矿山而言，介绍的三种数字化测量技术均可使用。在要求精度不高的大范围露天测量时，可优先选用无人机倾斜摄影测量技术。对于地下开采的矿山而言，受卫星信号、光照等因素影响，建议选择三维激光扫描技术。特别地，在地下塌陷区等危险区域作业时，三维激光扫描技术的优势将更加明显。随着矿山数字化、智能化转型速度的加快，数字化测量技术必将在矿山获得大面积应用，研究成果可为相关矿山在选择适合的数字化测量技术时提供参考。