礦山測繪中三維激光掃描技術的應用

劉漢勝

摘 要：三維激光掃描是一種新型測繪技術，其利用GPS技術和全站儀等設備進行測繪，相對于傳統(tǒng)測繪技術而言有更高的精準性和便利性，能夠快速對礦山地質(zhì)情況進行測繪，極大提升了礦山測繪工作的效率和質(zhì)量。本文主要總結(jié)三維激光掃描在礦山測繪中的使用原理，并從實踐應用出發(fā)，對實際測繪中使用三維激光掃描技術的應用領域與應用流程進行介紹，希望為測繪工作者提供參考。

關鍵詞：礦山測繪；三維激光掃描；礦物測定；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.069

1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是運用快速激光掃描，實現(xiàn)對測量目標的持續(xù)性、全方位坐標偵測，利用該技術能夠快速獲取測量目標空間信息，由于測量過程持續(xù)且高速化，因此所獲取的目標坐標信息量較高，其中使用GPS技術能夠有效保證測量的精準性，利用海量的精準坐標信息，可以實現(xiàn)對測量目標物體三維模型的準確構(gòu)建。

三維激光掃描主要使用兩類核心技術實現(xiàn)對測量目標的三維建模：一是激光測距原理，激光測距相對于人工測距而言精準度更高，其利用連續(xù)激光器或脈沖激光器發(fā)生激光，通過反激光反射進行精準測量，連續(xù)發(fā)射的激光掃描最高測程高達40km，誤差不超過2mm，而且通過該技術所獲取的側(cè)面目標點位信息多，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對測量目標模型點位信息的精準獲取，不僅消除了人工測量的誤差問題，也能夠突破傳統(tǒng)單點測量信息量不足的障礙，運用該技術所獲取的地形模型基本與實際模型一致，所建立的模型也有更高的分辨率；二是網(wǎng)絡信息技術和數(shù)字建模技術，該技術主要用于激光測距信息的集中處理與整合，三維激光掃描設備所獲取的點位信息通過網(wǎng)絡進行快速傳輸，實現(xiàn)集中整理，所獲取信息可以直接錄入數(shù)字建模軟件，實現(xiàn)自動化建模，這能夠大幅提升礦山建模效率，同時數(shù)字建模技術能夠根據(jù)數(shù)碼照片等進行模型數(shù)據(jù)的形象展示，更好的判斷礦藏位置、礦藏深度等信息，這能夠?qū)ξ磥淼V產(chǎn)采集工作的規(guī)劃與安排提供了更有效的參考信息。

2 三維激光掃描技術的特點及其在礦山測繪中的應用優(yōu)勢

三維激光掃描技術相對于傳統(tǒng)測繪中的掃描技術而言主要有三個突出特點：

其一，高效性，通過三維激光掃描技術獲取單點位信息的速度極快快，耗時僅需幾毫秒，而且三維激光掃描技術的實施環(huán)境要求不高、有效測量距離較長，測量前的準備工作極為簡單，準備工作耗時只需幾分鐘，后續(xù)測量中可實現(xiàn)無人值守的自動化測量，即便有人值守也不會耗費較多時間，一般進行測量的時間在數(shù)小時內(nèi)，另外整個測量過程測量人員不需要與測量目標進行近距離接觸，可以進一步縮短前期準備時間。

其二，信息獲取便利，目前市面上使用率較高的三維激光掃描設備大多具備自動化數(shù)據(jù)輸出功能，可以利用有線或無線網(wǎng)絡直接向目標終端傳輸數(shù)據(jù)，大大降低了人工收集和整理數(shù)據(jù)的工作量，從而有效提升工作效率。

其三，目標點位數(shù)據(jù)的采集精度極高。三維激光掃描技術的有效掃描距離較遠，實際測量所得點位數(shù)據(jù)誤差極?。ㄐ∮?mm），因此通過三維激光掃描技術進行測量時不需要對測量目標表面進行特殊處理，實際測量后的信息無需進行復驗和勘誤，所獲取數(shù)據(jù)可以直接錄入軟件進行自動建模，大大減少人工處理中可能出現(xiàn)的誤差、錯誤問題。

3 三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用領域與流程

3.1 三維激光掃描技術在礦山測繪中的主要應用領域

三維掃描在礦山模型構(gòu)建中的主要應用場景有如下三類：

第一類，待采或開采中礦區(qū)的三維模型構(gòu)建。其中待采礦區(qū)三維模型的建立較為簡單，直接采用礦區(qū)地表點位數(shù)據(jù)云構(gòu)建模型即可；開采中礦區(qū)是哪位模型的建立需要在礦區(qū)內(nèi)進行掃描，實際掃描過程中需要在礦區(qū)巷道內(nèi)設置三維測量設備，構(gòu)建巷道模型，相對于外部三維模型構(gòu)建而巷道模型的構(gòu)建效率略慢，這主要受外部測量條件所限，但相對于傳統(tǒng)巷道測量技術在效率和安全性上都有較大優(yōu)勢。

第二類，礦區(qū)開挖體積計算。該類應用主要出現(xiàn)在露天開采工作條件下，露天開采礦區(qū)的開采位置和非開采位置物質(zhì)有一定差異，采用激光掃描技術可以識別區(qū)域特征，可以大致確定需開挖體積。另外，采用分時模型對比和疊加觀察，可以進一步確定礦山開采至最后測量時間點的已開挖體積，計算精度較高，所得結(jié)果可用于礦山開采規(guī)劃、產(chǎn)能和產(chǎn)量分析等。

第三類，采空區(qū)整理和防護。礦山開采本質(zhì)上是對自然環(huán)境的破壞，其中危害最大的是采空區(qū)，采空區(qū)會對作業(yè)人員安全造成較大風險。而傳統(tǒng)測繪技術在采空區(qū)測量中的難度較高，也較易發(fā)生人身安全風險，利用三維激光掃描技術可消除此類障礙，實現(xiàn)對采空區(qū)的精準測量，也能夠為采空區(qū)實施監(jiān)測提供技術支持，大幅降低作業(yè)安全風險。

3.2 三維激光掃描技術在礦山測繪中應用的基本流程

礦山測繪中三維激光掃描技術的應用一般分為如下三個步驟：

第一步，使用三維激光掃描儀快速獲取礦山測量面、點位信息、地質(zhì)信息。首先通過人工觀察確定礦山地質(zhì)環(huán)境，設定掃描儀測繪參數(shù)，包括探頭、Q9線、待采礦藏參數(shù)與實際執(zhí)行范圍，保證測繪信息可以反映礦山地址信息。然后實施激光掃描，獲取礦山待測面的三維點位信息。

第二步，構(gòu)建三維立體模型。通過獲取的海量點位地質(zhì)信息、三維信息，基于GPS系統(tǒng)進行定位，構(gòu)建礦山待測表面的是立體圖像，由此呈現(xiàn)礦山的整體是三維模型，幫助開采作業(yè)規(guī)劃設計、作業(yè)檢測和施工人員更好的了解礦山地質(zhì)范圍、作業(yè)環(huán)境，保證礦山開發(fā)率、開采作業(yè)效率、開采作業(yè)安全管理水平。

第三步，基于所獲取的三維立體模型建立更豐富的礦山信息和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并利用三維激光掃描技術的實時優(yōu)勢，進一步提建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。將實測數(shù)據(jù)與先期完善的礦山初始數(shù)據(jù)進行對比，用于開采量計算、開采作業(yè)位置監(jiān)控、采空區(qū)監(jiān)控等，實現(xiàn)對礦山的綜合性數(shù)字化管理。

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