礦山測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)

林高峰

（江西有色地質(zhì)測(cè)繪有限公司，江西 新余 338000）

國內(nèi)礦山測(cè)繪領(lǐng)域持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，相應(yīng)技術(shù)方法逐漸脫離常規(guī)人工測(cè)繪模式，自動(dòng)化程度加深。三維激光掃描基于GPS，配以3D重建方法。此項(xiàng)技術(shù)把采集到的內(nèi)容實(shí)施3D重建，形成數(shù)字化的測(cè)繪模型，應(yīng)當(dāng)是近些年使用較多的測(cè)繪方法之一。相關(guān)測(cè)繪機(jī)構(gòu)依托于三維激光掃描技術(shù)，開發(fā)專業(yè)化的測(cè)繪系統(tǒng)，既能生成礦山的空間模型，又能把規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、地理特征與地表形態(tài)較為完整地呈現(xiàn)出來。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

該項(xiàng)技術(shù)是GPS定位系統(tǒng)之后，在測(cè)繪領(lǐng)域中的新型技術(shù)，其主要設(shè)備是三維的掃描儀器，在該儀器中設(shè)有高清相機(jī)、后處理程序、連接電源、附屬裝置等。其技術(shù)原理是：激光二極管按照周期性的規(guī)律，發(fā)出激光脈沖，通過透鏡接收到測(cè)繪對(duì)象的反射信號(hào)，產(chǎn)生接收信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)射和接收兩個(gè)動(dòng)作之間的時(shí)間差，計(jì)算出儀器和測(cè)繪目標(biāo)之間的距離，并把儀器鏡頭所在橫向與縱向上的測(cè)繪角度，分別記作、，而被測(cè)點(diǎn)則是P，對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)是（x,y,z），關(guān)聯(lián)公式如下：

結(jié)合以上公式，便能確認(rèn)點(diǎn)P的空間坐標(biāo)?？偟膩碇v，三維激光掃描技術(shù)便是借助掃描儀對(duì)任務(wù)目標(biāo)對(duì)象實(shí)施全面地掃描作業(yè)，并將所得結(jié)果加以統(tǒng)計(jì)整理，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由此提煉出三維坐標(biāo)，繪制出對(duì)應(yīng)區(qū)域的地形圖。此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)行流程圖見圖1。

圖1 三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中的運(yùn)行流程圖

1.2 運(yùn)用領(lǐng)域

三維激光掃描一般用在三個(gè)測(cè)繪任務(wù)中，即未采取與一采區(qū)模型構(gòu)建任務(wù)、計(jì)算開挖量任務(wù)、礦山保護(hù)及優(yōu)化任務(wù)。

首先，未采取與一采區(qū)模型構(gòu)建任務(wù)。構(gòu)建未采區(qū)與已采區(qū)的數(shù)字化空間模型，能直接借助的礦山的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成完整的模型信息，此操作過程比較簡(jiǎn)單。相較來看，已采區(qū)建模難度相對(duì)更大。一是要求掃描對(duì)象是礦區(qū)。三維激光掃描期間，為了生成巷道模型，應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)空間內(nèi)布設(shè)測(cè)量裝置。和建立地表形態(tài)的三維模型比較，此項(xiàng)任務(wù)的操作進(jìn)度相對(duì)偏慢，作業(yè)效率差，而出現(xiàn)上述問題的誘發(fā)因素一般是被外在測(cè)量環(huán)境影響。此項(xiàng)測(cè)繪任務(wù)雖然采集數(shù)據(jù)的過程較慢，但整個(gè)作業(yè)過程就比較安全，能保障測(cè)繪人員與儀器的安全。其次，計(jì)算開挖量任務(wù)。在計(jì)算開挖量的任務(wù)中，一般是露天開采情況。在該類采礦區(qū)內(nèi)，采礦與非采礦的不同比較明顯。借助激光掃描，能較快地獲得目標(biāo)范圍特征，掌握開采量。最后，礦山保護(hù)及優(yōu)化任務(wù)。實(shí)際采礦作業(yè)勢(shì)必會(huì)破壞山體既有環(huán)境的狀態(tài)，尤其是采空區(qū)，容易面臨較大的危險(xiǎn)問題，對(duì)測(cè)繪人員的安全產(chǎn)生威脅。采空區(qū)實(shí)施采礦作業(yè)中，普通測(cè)繪方法不能有效展現(xiàn)出此項(xiàng)工作任務(wù)的價(jià)值，而且人身安全同樣很難得到全面保障，反觀三維激光掃描能有效消除上述問題，采集到精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，還能給采空區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控予以技術(shù)支持，確實(shí)能消除礦山測(cè)繪中的諸多風(fēng)險(xiǎn)問題。

2 礦山測(cè)繪工作分析

三維激光掃描運(yùn)用于礦山測(cè)繪中，其突出優(yōu)勢(shì)在于精準(zhǔn)性高、快捷便利。在外業(yè)采集中，測(cè)繪人員搭設(shè)三腳架后，就能開展各類信息的采集作業(yè)，而且可以隨機(jī)簡(jiǎn)單處理采集到的內(nèi)容，借此取得礦山空間資料。此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用，切實(shí)降低野外建站的工程量，控制測(cè)繪準(zhǔn)備工作的時(shí)間消耗，使礦山內(nèi)外部的空間建模任務(wù)得以快速完成，和常規(guī)的人力測(cè)繪對(duì)比，能直接獲取礦山信息，有助于加快測(cè)繪作業(yè)速度。

對(duì)于礦山開采階段的測(cè)量作業(yè)，技術(shù)員應(yīng)當(dāng)先保障控制點(diǎn)精準(zhǔn)度，測(cè)量技術(shù)員基于對(duì)此的合理管控，為測(cè)繪結(jié)果提供有力保障。另外，技術(shù)員還需結(jié)合目標(biāo)礦山的區(qū)域面積、現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)實(shí)情況，挑選合適級(jí)別的GPS控制網(wǎng)，當(dāng)成首級(jí)控制網(wǎng)。下一步則根據(jù)導(dǎo)線點(diǎn)的設(shè)定級(jí)別，完成對(duì)應(yīng)加密處理。在導(dǎo)線測(cè)量中，技術(shù)員需把GPS點(diǎn)視為已知信息完成加密，并根據(jù)封閉導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)完成測(cè)量工作，這樣能保障平差后的結(jié)果精度。在高程測(cè)量方面，按照任務(wù)精度標(biāo)準(zhǔn)，選定合適測(cè)量級(jí)別，通常會(huì)選擇三角高程與水準(zhǔn)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)對(duì)高程參數(shù)的有效管控。

3 三維激光掃描在礦山測(cè)繪中的運(yùn)用

現(xiàn)如今，三維激光掃描應(yīng)當(dāng)是礦山測(cè)繪項(xiàng)目中，比較常見的技術(shù)手段，其利用掃描儀發(fā)出激光脈沖，獲得數(shù)據(jù)資料，完成相應(yīng)處理與空間數(shù)字化重建計(jì)算，把信息經(jīng)過有效處理后，確認(rèn)不同方位的數(shù)據(jù)資料，并應(yīng)用數(shù)據(jù)資料，依托于專門的軟件程序，構(gòu)建礦山測(cè)繪區(qū)域的空間模型。

3.1 采集數(shù)據(jù)及計(jì)算

測(cè)繪人員可使用掃描儀將劃定的礦山區(qū)域?qū)嵤┩暾麙呙?，得到相?yīng)的空間資料。此項(xiàng)技術(shù)屬于非接觸類的測(cè)繪方法，支持消耗較短的時(shí)間，就能完成對(duì)礦山自動(dòng)掃描及測(cè)繪，儀器借助激光探測(cè)整體區(qū)域，將“時(shí)差”參數(shù)作為測(cè)距依據(jù)。根據(jù)激光的反射原理，當(dāng)遇到物體后，隨即反射回來，儀器自動(dòng)記錄激光往返的時(shí)間長(zhǎng)度，就可計(jì)算出激光接觸物體與儀器的距離。相關(guān)的技術(shù)參數(shù)要求見表1。結(jié)合表1所示，工作范圍需從參數(shù)取值中選擇，反之儀器僅能生成虛假圖像。儀器發(fā)出的激光脈沖通常是每前進(jìn)一毫米，僅需3.3ps左右的時(shí)間，鑒于激光脈沖自身所具備的高速特點(diǎn)，有效保障儀器的工作精度，測(cè)繪目標(biāo)和儀器間距可用下述公式計(jì)算：

表1 測(cè)繪掃描儀的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（部分）

d=vt

其中，d表示儀器與測(cè)繪目標(biāo)之間的距離；t表示激光脈沖一次往返消耗的時(shí)間;v是指激光脈沖的速度。

三維激光掃描此種非接觸的方法手段，可以幫助相關(guān)人員快速采集到立體坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其和普通的測(cè)繪方式相較，效率高、操作便利、精準(zhǔn)性高，而且得到的資料采樣率與可分辨性均有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

借助三維激光掃描方式測(cè)繪礦山地形的任務(wù)中，由于儀器本身存在有效間距的限制，以及礦山環(huán)境的復(fù)雜性，令實(shí)際測(cè)繪中需要經(jīng)過數(shù)次轉(zhuǎn)站作業(yè)，這種工作模式下，使全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均是儀器自定義坐標(biāo)體系。為令礦山規(guī)劃測(cè)繪范圍內(nèi)采集到的所有數(shù)據(jù)得以統(tǒng)一，應(yīng)當(dāng)把若干站點(diǎn)坐標(biāo)集中在一個(gè)坐標(biāo)系上。在進(jìn)行此項(xiàng)工作中，為避免對(duì)整體測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度造成負(fù)面影響，應(yīng)當(dāng)把所有站點(diǎn)取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到其中一個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)上，對(duì)此可借助臨近站點(diǎn)至少三處同名控制標(biāo)靶，完成獨(dú)立數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)作業(yè)。實(shí)際配準(zhǔn)中，技術(shù)員可選擇相對(duì)或是絕對(duì)兩個(gè)思路，其中相對(duì)方式是根據(jù)一個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)系，把其他站點(diǎn)的坐標(biāo)信息都?xì)w納到選中站點(diǎn)的坐標(biāo)系上。此種處理思路運(yùn)用到配準(zhǔn)環(huán)節(jié)中，要求選擇站點(diǎn)中需至少有三處同名標(biāo)靶，如此才能保障數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的結(jié)果有效。并且相對(duì)處理思路下，隨著站點(diǎn)數(shù)目增加，配準(zhǔn)誤差會(huì)隨之加大。

絕對(duì)處理思路下，把激光掃描儀器和一般測(cè)量設(shè)備組合起來，先用普通設(shè)備測(cè)出各個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)與標(biāo)靶坐標(biāo)，由此便取得測(cè)繪目標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而后把不同站點(diǎn)坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)化到絕對(duì)坐標(biāo)上，使用此種方式無需考慮配準(zhǔn)誤差的問題，而且精度分布也比較均勻。基于此，本文建議使用全站儀測(cè)量出絕對(duì)坐標(biāo)，支持信息配準(zhǔn)。在取得空間坐標(biāo)的前提下，為保障結(jié)果精度，可運(yùn)用小二乘法，完成信息擬合。相關(guān)運(yùn)行公式如下：

3.3 數(shù)據(jù)提取及形成等高線

三維激光掃描方法運(yùn)用到礦山測(cè)繪任務(wù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，涵蓋規(guī)劃范圍內(nèi)地表的全部資料，也就是說，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包括測(cè)繪礦山的地形資料，還有附近的樹木、建筑、電線桿等，以及噪音。所以，為提升地形測(cè)繪結(jié)果的可用性與品質(zhì)，就應(yīng)考慮過濾及篩除非地形的資料。此處選擇Cyclone程序完成該類任務(wù)，基于此，利用CASS程序，根據(jù)設(shè)置等高距離人工操作確定目標(biāo)范圍高程點(diǎn)信息，直接點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊，便可獲得測(cè)繪地形等高線。技術(shù)員把所得等高線圖形和地物圖像在疊合后，完成編輯加工，消除等高線個(gè)別不平順、缺漏、扭曲等情況，并對(duì)照掃描影像，人工比較改動(dòng)，最終設(shè)置各個(gè)高程標(biāo)注點(diǎn)，生成等高線圖的圖框作為修飾。

4 礦山三維激光掃描的立體化支持

4.1 建設(shè)地表空間模型

利用三維激光掃描能夠給礦山地表空間模型予以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)材料，通過對(duì)有關(guān)設(shè)施條件實(shí)施掃描，取得精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，達(dá)成建模目的。各個(gè)模型實(shí)際屬性能利用相應(yīng)的軟件程序確認(rèn)，并用精確數(shù)據(jù)為礦山作業(yè)予以穩(wěn)定基礎(chǔ)，有助于工作行為有序開展。同時(shí)，在建模期間，技術(shù)員應(yīng)當(dāng)合理使用索引目錄，便于相關(guān)人員通過模型查找所需內(nèi)容，快速進(jìn)入到操作界面，加深礦山作業(yè)的現(xiàn)代化程度。

4.2 直觀輸出巷道狀態(tài)

依托于三維激光掃描，能夠快速采集到巷道中的全部信息，并可以捕捉到極為細(xì)小的改變，提取到詳細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)容，并利用空間模型顯示出巷道當(dāng)前的工況。同時(shí)，技術(shù)員也能隨時(shí)了解巷道中的工作狀態(tài)，把實(shí)際地層中的場(chǎng)景通過屏幕輸出。利用該項(xiàng)技術(shù)，支持完成巷道中設(shè)備機(jī)組的掃描作業(yè)，并形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。另外，礦山作業(yè)中，技術(shù)員可把此和通訊裝置搭配，保障相應(yīng)信息可以及時(shí)反饋。比如：在巷道模型中，能夠直觀顯示出該空間內(nèi)工作者的三維定位，操作人員可以借此了解其作業(yè)進(jìn)度，而且在該模型上連接監(jiān)測(cè)裝置，能在巷道內(nèi)發(fā)生異常后，迅速發(fā)送警報(bào)，提高監(jiān)測(cè)作業(yè)的可視化與空間性。

5 三維激光掃描礦山測(cè)繪的精度評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

5.1 確認(rèn)掃描儀器

三維激光掃描方法用在礦山測(cè)繪任務(wù)中，具體儀器就是專門的掃描儀，如今市面上有不同的類型，技術(shù)員需結(jié)合具體測(cè)繪需要選擇合適的掃描儀器。比如：ILRIS型號(hào)的儀器，具有優(yōu)異的可視化性能，而且掃描的范圍較大，能達(dá)到1000m～1500m，比較適合礦山測(cè)繪任務(wù)。

5.2 傳感裝置電路

根據(jù)對(duì)激光掃描測(cè)繪的精度評(píng)價(jià)要求，相應(yīng)運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合其特點(diǎn)實(shí)施。其中，硬件方面應(yīng)當(dāng)達(dá)到該類測(cè)繪任務(wù)精度的評(píng)估穩(wěn)定性、時(shí)效性的要求。此次選擇對(duì)數(shù)檢波放大方法，制定超聲波的傳感裝置電路，保障其靈敏度與續(xù)航時(shí)間滿足礦山測(cè)繪任務(wù)的要求。一般情況下，該類傳感裝置接收超聲波的探頭在部分檢測(cè)任務(wù)應(yīng)用中，靈敏度并不高，所以選擇前置放大裝置，可以防止在傳播期間超聲波發(fā)生反射及衰減的情況。另外，既屬于低噪音的放大裝置，又能預(yù)防信號(hào)處理期間被外界擾動(dòng)。在該傳感裝置線路中，把無極性的電容耦合連接至傳感裝置兩處INPUT口，和接地電阻構(gòu)成濾波裝置，并在各個(gè)電源連接的位置，設(shè)置一處貼片封裝電容。在實(shí)踐作業(yè)中，為降低信號(hào)處理動(dòng)作對(duì)傳感裝置信噪比的干擾，預(yù)防噪音耦合來到前置放大裝置處，應(yīng)當(dāng)挑選支持自由調(diào)整阻值的電位器。

5.3 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

在評(píng)估激光掃描測(cè)繪精度的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫是用于管理及保存，給之后衡量測(cè)繪結(jié)果的精度提供基礎(chǔ)信息。該項(xiàng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)具體會(huì)保存地質(zhì)測(cè)繪資料與剖面圖、地表形態(tài)資料等，此處所示的3D數(shù)據(jù)庫是基于針對(duì)礦山地質(zhì)探勘信息的匯總與分析，數(shù)據(jù)庫形成期間，需把相同坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成初始格式，實(shí)施圖像編輯時(shí)，技術(shù)員應(yīng)當(dāng)先確認(rèn)目標(biāo)礦山地質(zhì)體和地質(zhì)條件形成的制約條件，生成局部圖紙，把若干局部視圖加以匯總整理，能夠直接反映出礦山真實(shí)的場(chǎng)景，最終導(dǎo)出信息。構(gòu)建此項(xiàng)數(shù)據(jù)庫，能夠提高測(cè)繪結(jié)果的可用性，令信息數(shù)據(jù)更為直觀清楚，方便測(cè)繪技術(shù)員了解礦山實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中可以為測(cè)繪工作員予以較好的保障。

5.4 建立空間模型

通過建立礦山的空間模型，有利于測(cè)繪技術(shù)員實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、礦山類型等資料，對(duì)此主要借助計(jì)算機(jī)與圖像圖形繪制的方法完成數(shù)字化建模，并依托于可視化與立體數(shù)據(jù)化通過操控屏幕輸出。建設(shè)空間模型的環(huán)節(jié)中，技術(shù)員應(yīng)當(dāng)先確認(rèn)目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)定位，并且在轉(zhuǎn)化坐標(biāo)數(shù)值中，還需避免對(duì)內(nèi)容精度造成負(fù)面干擾。同時(shí)，利用幾何參數(shù)化與拓?fù)鋽?shù)據(jù)等，生成地質(zhì)礦體，從中找到地質(zhì)特征，如邊界線與等值線。相關(guān)技術(shù)員可選擇適宜的提取方式，包括規(guī)則和不規(guī)則兩類，設(shè)定數(shù)據(jù)場(chǎng)的等值線，另外對(duì)于空間模型來說，邊界線參數(shù)也是極為關(guān)鍵的，如：脊線、輪廓線等，其中針對(duì)后者，能將形態(tài)、色彩與紋理等特征作為指標(biāo)，而且閉合邊界線繪制應(yīng)當(dāng)結(jié)合礦山現(xiàn)實(shí)狀況合理選擇生成方式。

5.5 評(píng)估測(cè)繪數(shù)據(jù)精度

礦山測(cè)繪任務(wù)中，所得結(jié)果的精準(zhǔn)性，應(yīng)當(dāng)是作業(yè)技術(shù)員首要考慮的要點(diǎn)，本文所述的評(píng)估系統(tǒng)，可針對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)、外延伸等內(nèi)容的精度加以判斷，實(shí)際評(píng)估時(shí)應(yīng)當(dāng)按照上文提到的方法，提煉處理空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該類信息整體是離散分布狀態(tài)。在單點(diǎn)的定位測(cè)試中，應(yīng)當(dāng)對(duì)相應(yīng)靜態(tài)點(diǎn)位的測(cè)繪精度進(jìn)行評(píng)估，選擇三維掃描方法，完成測(cè)量定位，用于作業(yè)精度評(píng)估的比較對(duì)象，通過定位接收機(jī)獲得的信息支持精度評(píng)估。而對(duì)于外延伸測(cè)繪情況的分析，通常需要對(duì)該類信息先行處理，確認(rèn)其實(shí)際誤差是否滿足礦山測(cè)繪精度標(biāo)準(zhǔn)。

5.6 測(cè)繪精度評(píng)估效果

為驗(yàn)證上述系統(tǒng)的可用性，采用實(shí)驗(yàn)論證的方法和常規(guī)測(cè)繪系統(tǒng)比較，衡量測(cè)繪精度水平，相關(guān)的運(yùn)算公式為：

X=A-B

其中，X表示精密度；A是指單次的測(cè)繪結(jié)果；B代表測(cè)繪結(jié)果的均值。

本次一共開展五次測(cè)試，相應(yīng)比較結(jié)果見表2。結(jié)合表2內(nèi)容所述，數(shù)次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所述的精度測(cè)繪精度均值達(dá)到91.94%，而常規(guī)方式測(cè)繪精度均值僅達(dá)到80.226%，相差10%以上，所以上文所述的精度評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)用效果要遠(yuǎn)超過常規(guī)測(cè)繪管理方法，并且結(jié)果信息比較穩(wěn)定，對(duì)于礦山測(cè)繪以及礦產(chǎn)資源開發(fā)與使用，都有較好的作用。

表2 精度評(píng)估結(jié)果比較結(jié)果

6 結(jié)語

通過三維激光掃描，能夠快速生成詳細(xì)的礦山地形圖，其中采集和處理的點(diǎn)云信息包含礦區(qū)地表的全部資料。和普通測(cè)繪方法比較，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)極為明顯。但時(shí)至今日，探查、繪制大范圍開采地形圖的任務(wù)重，三維激光掃描還不能提供實(shí)時(shí)處理采集信息與高精度圖紙，僅能通過連接其他專業(yè)程序進(jìn)行。所以，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的后續(xù)研究開發(fā)中，應(yīng)當(dāng)著重從這兩方面開展，推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)穩(wěn)步成長(zhǎng)。