三維激光掃描技術在礦山采空區測繪中的研究

劉 翀

（遼寧省地礦測繪院有限責任公司，遼寧 沈陽 110121）

在礦上開采過程中需要對地質進行精確的測繪，從而為下一步工作打好基礎。而隨著礦山開采工作的不斷發展，對測繪技術的要求也越來越高。測繪技術也從最開始的GPS測繪技術，發展到現在三維激光掃描技術。三維激光掃描技術在測繪技術中的應用，讓測繪技術得到了更多的發展空間。測繪技術在礦山采空區測繪的應用最為廣泛，在傳統礦山開采工作中，由于采空區測繪結果不準確，無法對采空區塌陷可能進行預測，為礦山開采工作以及工作人員的生命安全造成了嚴重威脅。目前礦山測繪工作主要以調查采礦情況、地球物理勘探與工程鉆探為主，通過水文實驗、變形觀測等作為輔助，但這種測繪方法在實際應用中由于設備、人員、測量精度等因素，使測繪工作難以到達預期效果[1]。因此，利用三維激光掃描技術對礦山采空區進行輪廓定位，從而實現對其空間定位，為礦山開采工作打下堅實的基礎。

1 三維激光掃描技術在礦山采空區測繪中的研究

在礦山采空區測繪中三維激光掃描技術的應用，三維激光系統主要由電源系統、激光掃描儀與計算機三部分組成。其中，掃描儀中包括激光掃描系統與激光測距系統，同時也集成CCD、校正系統以及儀器內部控制等部分。在激光掃描儀中，通過同步反射鏡旋轉，通過激光脈沖對被測區域發射窄束激光脈沖，并對激光脈沖從出發到被測物體表面所需時間進行測量，從而判斷出被測區域各部分距離。同時對測量每個脈沖激光的角度進行掃描，計算激光在被測物體上的三維坐標[2]。三維激光掃描技術在使用中，一般使用自動以坐標，如圖1所示：

圖1 三維激光掃描原理示意圖

在掃描面內的X軸與在橫向掃描面的Y軸垂直，橫向掃描面與Z軸垂直。因此，通過2個角元素與一個線元素能夠確定出被測空間的三維坐標定位點的X、Y、Z坐標。三維掃描系統在數據采集過程中，能夠歐確定數據觀測值S、脈沖掃描角觀測值α以及縱向掃描角度觀測值θ。三維激光掃描測量一般使用內部坐標，結合圖1，可以得到任意點計算公式為：

在公式（1）中，S為P到O點距離。

三維激光掃描系統在工作中，會產生大量的測量數據，為三維坐標數據提供大量數據組。三維激光掃描儀作為一種非接觸的主動觀測系統，可以對礦山采空區進行大面積高密度的三維空間數據進行采集。

（1）工程概況測量。三維激光掃描技術在礦山采空區中的應用，能夠對礦山采空區中工程概況進行測量。首先利用三維激光掃描對業內數據與業外數據進行采集。其中業外數據主要包括數據掃描以及控制網布設，業內數據主要包括噪音剔除、點云數據拼接、三維動畫制作、體積計算、三維模型生成、橫縱斷面圖等。

在礦山工程測量中，為保證對采空區數據更加精準測量，利用三維激光掃描技術對采空區進行掃描，通過得出數據對其進三維模型構建，讓采空區狀況能夠更加直觀的展現出來，為礦山開采提供可靠的數字依據。

（2）礦山采空區數據處理。礦山采空區測繪工作中處理業內數據過程中需要設計到數據拼接、虛擬測量等多項內容。同時要求對分析數據結果進行分析，建立采空區TIN構網，實現斷面數據的有效提取。首先對掃描數據進行處理，利用掃描儀控制軟件對數據進行拼接后，通過外業操作對標靶數據進行掃描，并對不同站點云數據進行拼接，在拼接過程中要求誤差＜2mm。由于對礦山采空區數據收集會產生大量的云數據，通過數據能夠實現對采空區真實情況進行真實反映。但在數據處理過程中，對工作人員來說也是一個巨大的挑戰。工作人員對海量數據的處理，需要通過特殊軟件處理，目前來說主要采用CAD，但效果卻十分有限。為保證工作的正常進行，在進行數據導入之前，需要對數據先進行抽稀操作，對等距離數據進行抽稀，從而實現數據量的有效減少，留下具有典型性與代表性的數據。這樣不僅能夠保證數據的精準度，同時可以提高軟件運行速度。將抽稀數據作為原始數據，利用專業軟件建立模型，以模型為基礎，對礦山采空區斷面面積與采空區實體體積進行計算，最終實現對采空區面積的精準測量。

（3）采空區控制網布置。在礦山采空區測繪中，使用三維激光掃描對不同采空區進行分站掃描，在每個采空區中設立三個標靶。在掃描過程中對三個標靶進行掃描測量，同時擬定出三個標靶的幾何中心，通過對三個標靶的技術處理，確立不同空間關系的同時對其位置數據進行分析，從而判讀出采空區具體情況。在測量同時，利用全站儀對控制點上標靶進行測量，確定其幾何中心，從而設立相應坐標。通過三個相互具有關系的坐標，將坐標幾何中心作為公共點，從而進行數據點拼接，能夠很好的實現獨立坐標與地方坐標系統的轉變。通過全站儀器的光電測距，從而實現采空區控制點的設置。

2 結語

三維激光掃描技術在自身具有主動性強、速度快、全數字化、實時性強、精準度高等特點，能夠對礦山采空區真實三維場景數據進行快速獲取，徹底的改變了傳統礦山采空區測繪中單點測量的數據獲取方式，為測繪工作提供了更多的選擇，也為測繪結果提供更加多樣化的可能。目前來說，三維激光掃描技術在礦山采空區測繪中的應用還處于剛起步階段，因此通過對其應用進行研究，為礦山開采工作提供新的技術支持。