李明皓，石 林，朱復(fù)興

(貴州紫金礦業(yè)股份有限公司，貴州 貞豐 562200)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展[1]，測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)階段測(cè)量技術(shù)的典型代表，因其具有測(cè)量精度高、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程、隧道工程、采礦工程等實(shí)踐工程中獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)礦山企業(yè)正處于從傳統(tǒng)礦山向數(shù)字化礦山、智能化礦山轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)為礦山的成功轉(zhuǎn)型提供了重要的技術(shù)支撐和保障。

1 “3S”數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

1.1 “3S”測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

“3S”數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是指GPS、GIS和RS三種數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的集合。

GPS技術(shù)是指通過(guò)衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代通訊的方法進(jìn)行工程測(cè)量[1]。通過(guò)GPS測(cè)量系統(tǒng)，可精確的提供測(cè)量地點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通常情況下，GPS可提供5 m左右的定位精度，其測(cè)量原理可分為靜態(tài)定位測(cè)量原理和動(dòng)態(tài)定位測(cè)量原理。隨著該測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)量工程中的逐漸應(yīng)用，極大程度加快了礦山信息化、智能化的發(fā)展進(jìn)程。

GIS是地理信息系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，可對(duì)三維地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位采集、分析及存儲(chǔ)等，同時(shí)也能站在不同角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀[2]。在礦山測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)使用三維GIS測(cè)量技術(shù)對(duì)礦山地理空間進(jìn)行三維建模分析，不僅能夠使礦山測(cè)量的精度和可靠性獲得大幅提高，還可提高礦山測(cè)量工作的自動(dòng)化和智能化水平。

衛(wèi)星遙感測(cè)量技術(shù)，簡(jiǎn)稱RS技術(shù)，其核心理論為電磁波理論，主要工作過(guò)程是使用各種傳感器對(duì)采集到的電磁波信息進(jìn)行分析處理。從當(dāng)前RS技術(shù)在礦山測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，微波遙感測(cè)量是當(dāng)前礦區(qū)觀測(cè)測(cè)量的重要方向之一，其在礦山環(huán)境的調(diào)查分析、監(jiān)測(cè)監(jiān)督等方面都取得了較好的測(cè)量效果。

在礦山實(shí)際測(cè)量中，通過(guò)引入集GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和RS技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體的3S測(cè)量技術(shù)，可避免單一測(cè)量技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的準(zhǔn)確測(cè)量。GPS技術(shù)和RS技術(shù)獲取空間信息，實(shí)現(xiàn)了有“眼睛”看，GIS利用其處理信息能力對(duì)收集到的信息加以整理和區(qū)分，實(shí)現(xiàn)有“大腦”思考，做到了三種測(cè)量技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可圓滿完成地面的詳細(xì)勘察。

1.2 “3S”測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

1)高準(zhǔn)確度。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，“3S”測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的直接顯示，極大程度上減少讀數(shù)誤差，降低測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和分析難度，有效提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)高效率。“3S”測(cè)量技術(shù)通過(guò)使用計(jì)算機(jī)建模仿真軟件對(duì)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模處理，可快速展示礦山的整體狀況，直觀的將礦山的地形地勢(shì)、環(huán)境狀態(tài)等表現(xiàn)出來(lái)，極大程度地提高了礦山的測(cè)量效率。

3)大范圍，低成本。與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式相比，“3S”測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大范圍的區(qū)域測(cè)量，很大程度上減少了礦山在財(cái)力、人力、物力等方面的投入。

2 礦山三維激光掃描測(cè)量技術(shù)

2.1 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)基本原理

三維激光掃描技術(shù)的工作原理：在儀器內(nèi)通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)[3]。圖1為激光掃描儀測(cè)量原理示意圖[4-5]。

圖1 激光掃描儀測(cè)量原理示意圖

在礦山測(cè)量中，在采場(chǎng)或巷道中放置三維激光掃描儀，對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行定期掃描，獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。隨后，利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立三維可視化的采場(chǎng)模型或巷道模型，展示礦山各工程間三維空間關(guān)系和工作場(chǎng)景，掌握礦山的開采進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)非接觸式測(cè)量。該測(cè)量技術(shù)不需要反射棱鏡，采用非接觸方式測(cè)量，直接采集測(cè)量目標(biāo)表面真實(shí)的三維數(shù)據(jù)。在露天礦山臺(tái)階邊緣、礦山爆堆、井下巷道及采空區(qū)等區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能充分保證測(cè)量人員的安全。

2)數(shù)據(jù)采樣率高。傳統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，無(wú)論是露天礦山還是地下礦山，都需測(cè)量人員進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量人員須在測(cè)量點(diǎn)之間來(lái)回移動(dòng)，這不僅加大了測(cè)量人員的工作量，而且也導(dǎo)致測(cè)量效率不高。在三維激光掃描技術(shù)中，采樣點(diǎn)速率可達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒，有的甚至可達(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒。

3)高分辨率。該測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量、高密度的三維真實(shí)數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的，其測(cè)量精度可控制在毫米級(jí)范圍。

4)數(shù)字化采集。測(cè)量采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)處理、分析、顯示等。

5)體積小，重量輕，具有防水、防潮等功能，能適應(yīng)多種測(cè)量場(chǎng)景。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)基本原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是指在某一飛行平臺(tái)上同時(shí)搭載多組傳感器(一般為五組)，在飛行過(guò)程中同時(shí)從多個(gè)角度(垂直、傾斜等角度)采集包含地面地物準(zhǔn)確信息的影像。垂直影像包含待測(cè)物的頂面信息，傾斜影像能夠提供待測(cè)物的側(cè)面信息，頂面信息與側(cè)面信息結(jié)合可滿足待測(cè)物三維模型生成的需要。后續(xù)建模過(guò)程是基于傾斜攝影測(cè)量原理開發(fā)的。具體建模過(guò)程見圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模流程圖

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)大飛機(jī)而言，無(wú)人機(jī)具有體積小，重量輕，移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，且可在多種環(huán)境下進(jìn)行使用。

2)精度高。該測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低空近地測(cè)量，飛行高度100～1 000 m，獲得的高分辨率圖像基本可以滿足1：500至1：5 000測(cè)繪比例尺的繪圖要求，這在高陡邊坡、尾礦庫(kù)、排土場(chǎng)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3)成本低、風(fēng)險(xiǎn)小。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于組裝，成本低，市場(chǎng)上現(xiàn)有無(wú)人機(jī)價(jià)位從幾千到幾十萬(wàn)不等。在自然災(zāi)害等困難的地區(qū)，如沙漠、森林等進(jìn)行作業(yè)時(shí)，即使無(wú)人機(jī)受到損壞，也能保證野外測(cè)繪人員和數(shù)據(jù)安全。

4)測(cè)量結(jié)果更具真實(shí)性。通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立的三維模型可從多角度觀察地物地貌，能更真實(shí)的反映地物的實(shí)際情況，相比于傳統(tǒng)建模方法更加真實(shí)[6-7]。

4 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)礦山常用的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的梳理，而后著重介紹了“3S”測(cè)量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的測(cè)量原理與技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；谌N數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的測(cè)量原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于露天開采的礦山而言，介紹的三種數(shù)字化測(cè)量技術(shù)均可使用。在要求精度不高的大范圍露天測(cè)量時(shí)，可優(yōu)先選用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。對(duì)于地下開采的礦山而言，受衛(wèi)星信號(hào)、光照等因素影響，建議選擇三維激光掃描技術(shù)。特別地，在地下塌陷區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)，三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。隨著礦山數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型速度的加快，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)必將在礦山獲得大面積應(yīng)用，研究成果可為相關(guān)礦山在選擇適合的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)時(shí)提供參考。