馬華雪 孫家兵
摘 要: 三維激光掃描儀在近十年來取得飛速發(fā)展,由于其特有非接觸,高速,全信息化的采集數(shù)據(jù)能力。使其在眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應用:從工程建設(shè),考古研究,地質(zhì)災害,森林分析,測繪與地理信息,刑事偵查等。本文主要通過三維激光掃描在礦山儲量測算中的應用分析,剖析三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測算技術(shù)的優(yōu)劣以及其在礦山管理中的應用前景。
關(guān)鍵詞: 礦山儲量 點云 矢量數(shù)據(jù)模型 三維激光掃描技術(shù)
一、礦山儲量管理現(xiàn)狀
1.管理的內(nèi)容和技術(shù)方法:礦山儲量動態(tài)管理的目的是適時、準確掌握礦山資源儲量保有、變化情況,促進礦山資源儲量的有效保護和合理利用。并通過礦山測量、礦山地質(zhì)調(diào)查等工作,建立礦山儲量臺帳,編制礦山生產(chǎn)有關(guān)圖件及《礦山儲量年報》方式來實現(xiàn)。
而礦山測量是礦山儲量管理最基礎(chǔ)性技術(shù)工作,其主要工作內(nèi)容是在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中進行地上、地下工程施工測量,測繪采掘(剝)工程圖,繪制礦體幾何圖,對采掘工程的數(shù)量和質(zhì)量、采礦量和礦石損失貧化等進行統(tǒng)計和監(jiān)督。測制礦區(qū)大比例尺地形圖或現(xiàn)狀圖。
現(xiàn)行的礦山測量一般都采用全站儀或GPSRTK采集礦區(qū)平面和高程數(shù)據(jù),結(jié)合設(shè)計開采(范圍,坡度,臺段高度)信息,通過人工計算或AUTOCAD等軟件幾何作圖求出各開采段的礦產(chǎn)剖面形狀,再利用下列公式估算開采量:
公式①:當上、下斷面面積差比值 ≤40%時,采用棱柱體公式計算,公式為V= (S1+S2)。
公式②:當上、下斷面面積差比值 >40%時,采用截錐體公式計算,公式為V= (S1+S2+ )。
公式③:當塊段僅有一個斷面有效,另一端作點尖滅時,采用角錐體公式計算,公式為V= S。
公式④:當塊段僅有一個截面有效,另一端作線形尖滅,采用楔形體公式計算,公式為V= S。
上面的方法實質(zhì)是斷面法的變異,也可以根據(jù)一般的土石方計算軟件采用方格網(wǎng)法進行計算。
計算附圖也主要以二維平面圖為主。輸出的數(shù)據(jù)是離散的數(shù)據(jù)文件,包括圖形文件:*.dwg,文檔數(shù)據(jù)*.doc或*.xls。
2.存在的問題
目前所應用的礦山測算方法已經(jīng)沿用多年,雖然對礦山的動態(tài)管理和礦山年報的制作起到一定的作用,但與礦產(chǎn)資源精細化、信息化管理還有相當大的差距。而在全省,乃至全國露天礦數(shù)量眾多,其開采狀況與自然環(huán)境有密切的關(guān)系。加強對這些礦山的管理和監(jiān)測不僅是礦山資源管理的任務,也是環(huán)保部門迫切需要關(guān)注的問題。
傳統(tǒng)的礦山測算方式存在以下不足:
1, 全站儀或GPS測量是粗放的采集離散點,尤其是在開挖不規(guī)則的礦區(qū),其與實際情況的吻合度較低。
2, 傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)需要人員到地形特征點跑尺,不僅帶有一定的危險性,而且其測量效率低下。
3, 傳統(tǒng)的礦山測量數(shù)據(jù)后處理,采用的計算方法落后(粗放的近似估算),數(shù)據(jù)處理自動化程度低,計算結(jié)果帶有較大的誤差。且成果的直觀性差,可驗證性不大。
4, 輸出的圖形形式單一,可讀性不高;文檔結(jié)構(gòu)松散,不便于歸檔,查詢,更新,分析,統(tǒng)計,共享和預決策使用。
二、三維激光掃描技術(shù)原理及發(fā)展趨勢
三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀,配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光,同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距,針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距,再配合掃描的水平和垂直方向角,可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的,那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。新型掃描一般配置同軸高清數(shù)碼相機,在采集點云數(shù)據(jù)同時采集對象的柵格圖像數(shù)據(jù),并能實現(xiàn)點云柵格數(shù)據(jù)的匹配。新型掃描儀的掃描速度都在10000點/秒以上。由于其能快速,精確,全面信息采集功能,使得其應用無所不在。以徠卡新型HDS8800掃描儀為例,該儀器最大測程為2000米,視場角360*80,內(nèi)置同軸7000萬像素相機,預留GPS通訊端口。其配置的專業(yè)I-Site Sudio數(shù)據(jù)處理軟件,能進行掃描儀控制,拼接,建模 (二維,三維),數(shù)據(jù)導出,體積、表面積計算,生成等高線,繪制斷面圖、產(chǎn)狀圖,三維場景渲染,建筑總平面等圖和立面圖繪制。非常適合礦山,地形,海島灘涂,電力線路巡檢等遠距離監(jiān)測應用。隨著三維數(shù)字城市,智慧城市,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。三維掃描儀在虛擬地理環(huán)境(VGE)中的應用將會得到普遍的應用。
三、案例應用
1.以某石礦為例來說明三維激光掃描儀的應用優(yōu)勢:
某石礦位于浙江省新安江市,采掘面積約0.09平方公里,年開采量約10萬噸。2011年運用傳統(tǒng)方法和三維激光掃描方法同時對概況進行儲量開采測量。為了能更好的進行比較,驗證三維激光掃描儀技術(shù)的精度。我們在采用傳統(tǒng)全站儀采集數(shù)據(jù)時分成3個等級進行。第一個等級用了15米采樣間距;第二個等級用了10米采樣間距,第三個等級用5米采樣間距。三維激光掃描是采用0.1m/200m的采樣密度進行。
2.結(jié)論:
通過上面的例子我們明顯的看到,應用三維激光掃描技術(shù)來進行礦山地質(zhì)測量工作,有著傳統(tǒng)測量無法比擬的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)以下幾個方面:
1, 采集數(shù)據(jù)信息豐富。三維激光掃描儀不僅僅采集單一的平面幾何數(shù)據(jù),通過內(nèi)置數(shù)據(jù)相機,能夠采集到實體對象的屬性信息(色彩,形狀,物體類型,材質(zhì)等)。這些數(shù)據(jù)的通過疊加能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的“實景復制”。
2, 安全高效。激光掃描技術(shù)屬于非接觸測量,對于人力無法到達或危險地區(qū)如懸崖,沼澤,高壓設(shè)施等,激光掃描技術(shù)無疑是最佳選擇。其高密度、高速成片掃描既保證了掃描的質(zhì)量和速度,同時也大大提高生產(chǎn)的安全性。
3, 成果的可靠性。三維掃描獲得的是海量的點云數(shù)據(jù),其后處理是通過計算機模型自動處理,不僅提高測量數(shù)據(jù)的可靠性,同時也減少了內(nèi)業(yè)的任務量?!皩嵕皵?shù)據(jù)”可以隨時調(diào)用,在線歷史現(xiàn)場。是歷史回溯的寶貴資料。
4, 數(shù)據(jù)的通用性。三維掃描數(shù)據(jù)既有矢量數(shù)據(jù),又有柵格圖像數(shù)據(jù),二者是嚴格匹配的。也是與目前的三維GIS數(shù)據(jù)要求一致的,可以根據(jù)需要隨時將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GIS管理系統(tǒng)。實現(xiàn)礦山三維動態(tài)實時監(jiān)管。
當然,作為一門新興的測量科學技術(shù) ,三維激光掃描儀的應用也有其局限性。就礦山儲量管理應用而言,它無法探測礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以無法獲得礦體的產(chǎn)狀。這對產(chǎn)狀復雜的金屬礦床來說,其應用受到大大的限制。但與地質(zhì)勘探資料結(jié)合,采取適當?shù)慕7绞?,對于提高金屬礦,尤其是貴金屬礦的估算精度還是非常有價值的。總之,三維激光掃描技術(shù)對于正在蓬勃發(fā)展的虛擬地理環(huán)境(VGE)建設(shè)給予越來越多的支持,有著廣闊的應用前景。
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