三维激光扫描仪与RTK技术在矿山综合测绘及数据集成中的联合应用

张晓铭

摘  要：该文详细探讨三维激光扫描仪与RTK技术在矿山测绘和数据集成中的联合应用。分析当前矿山测绘的现状和挑战，以及现有的测绘方法和技术的优点及局限性。详细介绍三维激光扫描仪和RTK技术的工作原理，以及它们在矿山测绘中的应用实例和优点。探讨这2种技术的联合应用，包括其理论基础、实际案例和可能出现的问题。讨论这2种技术在数据集成中的作用，以及数据集成的实际案例和效果评估。

关键词：三维激光扫描仪；RTK技术；矿山测绘；数据集成；联合应用

中图分类号：TD178      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0189-04

Abstract： This paper discusses in detail the joint application of 3D laser scanner and RTK technology in mine surveying and mapping and data integration. This paper analyzes the current situation and challenges of mine surveying and mapping， as well as the advantages and limitations of the existing surveying and mapping methods and technologies. The working principle of 3D laser scanner and RTK technology， as well as their application examples and advantages in mine surveying and mapping are introduced in detail. The joint application of these two technologies is discussed， including their theoretical basis， practical cases and possible problems. This paper discusses the role of these two technologies in data integration， as well as the actual cases and effect evaluation of data integration.

Keywords： 3D laser scanner; RTK technology; mine surveying and mapping; data integration; joint application

礦山测绘是矿山工程中的一项关键任务，它为矿山的开发、运营和管理提供了必要的地理和地质信息。传统的矿山测绘方法虽然在很长一段时间内发挥了重要作用，但随着矿山规模的扩大和生产效率的提高，这些方法的局限性也日益显现。例如，手动测量耗时长、效率低，而摄影测量则需要复杂的后期处理和专业的解译技术。这些传统方法往往难以满足矿山测绘的精度和实时性要求。

近年来，随着测绘技术的快速发展，三维激光扫描仪和实时动态差分全球定位系统（RTK）技术已被广泛应用于矿山测绘中。三维激光扫描仪可以快速、精确地获取地形和地物的三维信息，而RTK技术则可以提供高精度的实时位置信息。然而，如何有效地将这2种技术联合应用于矿山测绘，以及如何对测绘数据进行有效集成，以支持矿山的决策和管理，仍是一个待解决的问题。因此，本文的目的是探讨和介绍三维激光扫描仪与RTK技术在矿山测绘和数据集成中的联合应用，以期为矿山测绘的技术进步和实践应用提供参考和启示。

1  矿山测绘的现状和挑战

1.1  现有的矿山测绘方法和技术

矿山测绘的主要方法和技术包括传统的手动测量、摄影测量，以及近年来逐渐兴起的遥感测量和无人机测量[1]。手动测量是最基本的测绘方法，主要依赖测绘工程师在现场使用各种测量工具进行测量。摄影测量则是通过航空或地面摄影，获取地形和地物的二维或三维图像，然后通过专业的解译和处理，得到测绘信息。遥感测量和无人机测量则利用遥感卫星或无人机搭载的各种传感器，从空中获取地形和地物的信息。

1.2  现有测绘方法和技术的优点及局限性

现有测绘方法和技术各有优点及局限性。手动测量虽然简单易行，但效率低，且受现场环境和人为因素影响大。摄影测量可以获取大范围的测绘信息，但需要复杂的后期处理和专业的解译技术。遥感测量和无人机测量可以快速获取大范围和高精度的测绘信息，但设备成本高，且数据处理和解译需要专业知识。

1.3  矿山测绘面临的主要挑战

矿山测绘面临的主要挑战包括如何提高测绘的精度和效率，如何实现测绘数据的实时获取和处理，以及如何将测绘数据与矿山的其他数据（如地质数据、生产数据等）进行有效集成。此外，随着矿山规模的扩大和生产效率的提高，如何满足大规模、高效率和高精度的测绘需求，也是一个重要的挑战。

2  三维激光扫描仪在矿山测绘中的应用

2.1  三维激光扫描仪的工作原理

三维激光扫描仪是一种先进的测量设备，它通过发射激光束并接收反射回来的激光束，测量物体的距离和角度，从而获取物体的三维坐标信息[2]。三维激光扫描仪的工作原理主要基于激光雷达（Lidar）技术。它通过发射激光束，并测量激光束从发射到被物体反射回来的时间，计算出激光束与物体的距离。同时，扫描仪通过内部的角度编码器测量激光束的发射角度，从而确定物体的方位。通过这2个信息，扫描仪可以计算出物体的三维坐标。

2.2  三维激光扫描仪在矿山测绘中的应用实例

三維激光扫描仪在矿山测绘中的应用已经越来越广泛，以下是一些具体的应用实例。

2.2.1  矿山开采面的测绘

在一个大型露天煤矿的开采过程中，管理者需要定期测量开采面的形状和位置，以便了解开采进度和规划下一步的开采活动[3]。传统的测量方法需要人工进入开采面进行测量，不仅效率低，而且存在安全风险。为了解决这个问题，矿山采用了三维激光扫描仪进行测量。扫描仪从安全的位置发射激光束，测量开采面的距离和角度，然后计算出开采面的三维坐标。这种方法不仅提高了测量的效率和精度，而且避免了人员进入危险区域。

2.2.2  矿山地形的测绘

在大型露天煤矿的地形测绘中，三维激光扫描仪的应用具有深远的影响。精确、全面的地形数据对于矿山的排水和运输系统的设计和建设至关重要。三维激光扫描仪提供了比传统方法更精确的地形数据，扫描仪发射的激光信号能够精确地测量目标点的距离和角度，从而计算出该点的三维坐标。这种高精度的测量结果可以帮助工程师更精确地规划和设计矿山的各项设施。三维激光扫描仪可以生成详细的三维地形模型，扫描仪收集的数据可以通过数据处理软件进行处理，生成精确的三维地形模型。这种模型可以直观地展示矿山的地形特征，帮助更好地理解地形条件，从而更好地进行设施的设计和建设。

2.3  三维激光扫描仪在矿山测绘中应用的优点和局限性

三维激光扫描仪在矿山测绘中的应用具有明显的优点，但也存在一些局限性。

2.3.1  优点

1）高精度和高效率：三维激光扫描仪可以快速地获取大量的测量数据，精度达毫米级，大大提高了矿山测绘的效率和精度。

2）安全性：三维激光扫描仪可以从远处进行测量，避免了人员进入危险区域，提高了测量的安全性。

3）易于数据处理和模型构建：三维激光扫描仪获取的是数字化的测量数据，可以直接输入到计算机中进行处理和分析，方便了数据的管理和使用。同时，这些数据可以用于构建矿山的三维模型，为矿山的设计和管理提供了直观的视觉效果。

2.3.2  局限性

1）设备成本高：三维激光扫描仪的购置和维护成本相对较高，这可能限制了其在一些小型或贫困矿山的应用。

2）数据处理需求大：三维激光扫描仪可以获取大量的测量数据，这需要强大的计算能力和专业的数据处理软件进行处理和分析。对于一些缺乏这些资源的矿山，可能难以充分利用三维激光扫描仪获取的数据。

3）环境影响：三维激光扫描仪的测量精度可能受到环境因素的影响，如光照、雨雾、烟尘等。因此，需要在使用时考虑这些因素，并采取一些措施，如选择合适的测量时间和地点，或使用特殊的设备和方法来减少这些影响。

3  RTK技术在矿山测绘中的应用

3.1  RTK技术的工作原理

实时动态差分全球定位系统（Real-Time Kinematic，RTK）是一种基于全球定位系统（GPS）的高精度定位技术[4]。

RTK技术的工作原理主要基于GPS的差分定位原理。在RTK系统中，通常设有一个已知坐标的基站和一个或多个移动站。基站接收到的GPS信号中包含了卫星和接收器之间的误差，如大气延迟、钟差等。基站通过计算自己的实际位置和GPS信号计算出的位置之间的差值，得到这些误差的估计值，然后将这些误差信息通过无线电信号发送给移动站。移动站接收到这些误差信息后，将其用于修正自己接收到的GPS信号，从而实现高精度的定位。

3.2  RTK技术在矿山测绘中的应用实例

RTK技术在矿山测绘中的应用已经越来越广泛，以下是一些具体的应用实例。

3.2.1  矿区边界的测绘

在一个大型露天煤矿的开发过程中，需要准确测量矿区的边界，以便进行矿区的规划和管理[1]。传统的测量方法需要人工在地面上进行测量，不仅效率低，而且精度受到地形和视线条件的限制。为了解决这个问题，矿山采用了RTK技术进行测量。通过在矿区边界的关键点设置RTK移动站，并通过基站发送的误差信息，实时计算出这些点的精确坐标。这种方法不仅提高了测量的效率和精度，而且避免了人员在复杂地形中进行测量的风险。

3.2.2  矿山设备的精确定位

在一个煤矿的开采过程中，需要对矿山设备（如钻车、装载机等）进行精确的定位，以便进行有效的调度和管理[5]。传统的定位方法需要人工进行观察和记录，不仅效率低，而且精度受到人为因素的影响。因此，矿山采用了RTK技术进行定位。通过在矿山设备上安装RTK移动站，并通过基站发送的误差信息，实时计算出设备的精确位置。这种方法不仅提高了定位的效率和精度，而且实现了设备的实时监控，为矿山的调度和管理提供了重要的信息支持。

3.3  RTK技术在矿山测绘中应用的优点和局限性

RTK技术在矿山测绘中的应用具有明显的优点，但也存在一些局限性。

3.3.1  优点

1）高精度：RTK技术可以实现厘米级甚至毫米级的定位精度，满足了矿山测绘对精度的高要求。

2）实时性：RTK技术可以实时提供定位信息，满足了矿山测绘对实时性的需求。

3）动态性：RTK技术不仅可以定位静止的目标，也可以定位运动的目标，满足了矿山设备和人员的动态定位需求。

3.3.2  局限性

1）信号遮挡和干扰：RTK技术的定位精度可能受到信号遮挡和干扰的影响。例如，在山区或建筑物密集的地方，GPS信号可能会被遮挡；在电磁环境复杂的地方，GPS信号可能会受到干扰。

2）设备成本和维护成本：RTK设备的购置和维护成本相对较高，这可能限制了其在一些小型或贫困矿山的应用。

3）技术要求： RTK技术的使用和数据处理需要一定的技术知识和技能，这对矿山的技术人员提出了较高的要求。

4  三维激光扫描仪与RTK技术的联合应用

4.1  三维激光扫描仪与RTK技术联合应用的理论基础

三维激光扫描仪和RTK技术的联合应用，主要基于以下几个理论基础。

1）数据融合理论：数据融合是指将来自多个源的信息或数据进行整合，以获得比单一源更准确、更完整的信息或数据。在三维激光扫描仪和RTK技术的联合应用中，可以将两者获取的测量数据进行融合，从而获得更高精度和更全面的测绘信息。

2）空间参考系统理论：空间参考系统是用来描述地球上位置的数学模型。在三维激光扫描仪和RTK技术的联合应用中，需要将两者获取的测量数据转换到同一空间参考系统中，以便进行数据融合和分析。

3）地理信息系统（GIS）理论：GIS是用来捕捉、存储、处理、分析和展示地理数据的系统。在三維激光扫描仪和RTK技术的联合应用中，可以利用GIS进行测绘数据的管理、分析和可视化。

4.2  三维激光扫描仪与RTK技术联合应用的实际案例

在矿山测量中，三维激光扫描仪和RTK技术的联合应用已经得到了广泛的实践。一项研究详细介绍了这种技术在矿山测量中的应用[3]。

在这个案例中，研究人员使用了三维激光扫描仪和RTK技术来测量矿山的地形和地貌。首先，他们使用RTK技术来获取矿山的精确位置信息。然后，他们使用三维激光扫描仪来获取矿山的详细三维图像。通过这种方法，研究人员能够获得矿山的精确三维模型，这对于矿山的规划和管理非常有帮助。例如，通过这种方法，他们能够精确地测量矿山的体积，从而更准确地估计矿石的储量。此外，这种方法还能够帮助他们发现矿山的潜在安全隐患，从而提高矿山的安全性。

这个案例表明，三维激光扫描仪和RTK技术的联合应用在矿山测量中具有很高的实用价值。这种技术不仅能够提高测量的精度，还能够提高测量的效率，从而为矿山的规划和管理提供了强大的工具。

5  矿山数据集成

5.1  三维激光扫描仪与RTK技术在数据集成中的作用

在矿山测绘的过程中，数据集成是一个至关重要的环节。三维激光扫描仪与RTK技术在这一过程中发挥了重要作用。

1）数据获取： 三维激光扫描仪和RTK技术是获取高精度地理空间数据的重要工具。三维激光扫描仪可以获取矿山地形的详细三维数据，包括地形起伏、物体形状等信息；RTK技术则可以提供精确的地理位置信息。这2种技术的结合，使得我们可以获取到既精确又全面的矿山测绘数据。

2）数据处理： 在数据集成的过程中，需要将来自不同来源的数据进行处理和整合。三维激光扫描仪和RTK技术获取的数据，可以通过专业的数据处理软件进行处理，如去噪、滤波、插值等，然后将处理后的数据进行整合，形成一份完整的矿山测绘数据。

3）数据应用： 数据集成后的矿山测绘数据，可以应用于多个领域。例如，可以用于矿山的规划和设计，通过对矿山地形的精确测量，可以更准确地规划矿山的开发和利用；也可以用于矿山的安全管理，通过对矿山环境的实时监测，可以及时发现和处理安全隐患。

5.2  数据集成的实际案例和效果评估

在矿山测绘的实践中，三维激光扫描仪与RTK技术的联合应用已经得到了广泛的实践和认可。一项研究中详细介绍了激光扫描在矿山应用中的进步，数据捕捉和处理技术，以及主要应用[6]。

1）数据采集和预处理：在数据采集阶段，案例中使用了激光扫描仪进行矿山的测绘。这种应用不仅提高了数据采集的效率，也提高了数据的精度。然而，由于特性缺乏，动态和环境影响（如尘土和水），在某些矿山，连贯和一致的数据收集是一个挑战。在数据预处理阶段，使用了一系列的数据处理技术，包括数据清洗、数据对齐，以及数据融合。这些处理步骤确保了数据的质量，也为后续的数据集成和应用提供了基础。

2）数据集成和应用：在数据集成阶段，案例中将激光扫描仪采集的数据与其他地质和岩土数据进行了集成，以提供更全面的矿山信息。数据集成的关键在于将不同来源、不同格式、不同精度的数据融合在一起，形成一个一致、准确的数据模型。在这个过程中，数据的预处理、对齐、融合等步骤都是必不可少的。这种数据集成的应用包括变化检测、间隙测量、结构映射等。然而，文中也指出，激光扫描在岩石识别、表面参数测量、物流跟踪和自主导航等方面还有改进的空间。

3）效果评估：根据对案例的研究，可以发现激光扫描在矿山中的应用已经取得了显著的进步，但仍然存在一些限制因素，如数据传输、大地测量网络和处理能力的缺乏。尽管如此，由于其价格适中、精度高、移动性强，激光扫描仪正在成为矿山自动化的一个重要部分，预计在未来几年内，其使用将会更加广泛。

6  结束语

三维激光扫描仪与RTK技术在矿山测绘和数据集成中的联合应用，不仅可以提高测绘的精度和效率，还可以为矿山的规划和管理提供更全面、更准确的数据支持。然而，这种联合应用也存在一些可能的问题，如设备成本高、数据处理复杂等，需要在实际应用中进行充分的考虑和解决。未来，随着技术的进一步发展和应用的深入推进，三维激光扫描仪与RTK技术将在矿山测绘和数据集成中发挥更大的作用，为矿山的发展带来更大的价值。

参考文献：

[1] 刘忠臣.RTK技术在矿山测绘中的应用分析[J].内江科技，2021，42（1）：25-26.

[2] 张清宇，崔丽珍，杜秀铎，等.矿山环境三维激光雷达SLAM算法建图与定位[J].测绘通报，2023（5）：72-77.

[3] 何中伟.三维激光扫描技术在矿山测量中的应用[J].中国金属通报，2021（11）：23-24.

[4] 邬宇峰.矿山测绘中GPS-RTK技术的应用分析[J].矿业装备，2022（6）：196-198.

[5] 甘德.RTK技术在矿山测绘中的应用和注意事项[J].新疆有色金属，2022，45（6）：13-14.

[6] 洛桑.矿山测绘中三维激光扫描技术的应用探讨[J].中国金属通报，2022（8）：195-197.