淺析三維激光掃描技術在礦山儲量計算中的應用

趙夢ZHAO Meng；李雷LI Lei；侯會平HOU Hui-ping

（①山東煤田地質局第三勘探隊，泰安 271000；②山東科技大學，青島 266590；③山東能源淄礦集團許廠煤礦技術科，濟南 250014）

（①The Third Exploration Team of Shandong Province Bureau of Coal Geology，Taian 271000，China；②Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；③Shandong Energy Zibo Mining Group Co.，Ltd.Xu Factory Coal Mine Technology Division，Ji'nan 250014，China）

0 引言

眾所周知，露天礦生產比較特殊，因此，與其相應的測量工作也有自身特點。但隨著測繪技術的不斷發展，露天礦的隨時采挖和采挖后泥土填補，都要求測量能及時跟上，而常規儀器的精度和效率已經不能滿足當前礦山測繪的效率和精度要求。[1][2]

三維激光掃描技術是一種新的測量技術。它能夠在比較復雜和危險的現場和空間對被測物體進行多方位快速掃描測量，并直接獲得激光點所接觸的物體表面點的三維坐標、反射強度等信息，形成點云數據。[3]由于受傳統測量手段的影響，我國礦山儲量、開采量等數據一直處于不精確狀態，而三維激光測量技術的出現和發展能夠為礦山測量的理論與技術實現這一目標提供良好的技術保障。

1 露天礦測量概述

露天礦測量的主要目的是礦山儲量地質測量，就是以礦山的礦產勘查報告、儲量核算報告和上年度礦山儲量年報等資料為基礎，運用實地測量及礦山采樣測試、地質編錄等技術手段，通過一系列資料整理，粗略估算本年度礦山的有效開采量、平均損失量以及資源儲量變化量，編制本年度礦山資源報告。它最核心的工作就是解決礦體的測算精度和歷年相關儲量數據的一致性、連續性問題。因此，必須要搞好礦山儲量的動態監管，建立以資源消耗量為基礎的礦產資源補償費征繳制度，其核心工作是要采用滿足《規范》精度要求的測量技術和方法。

2 常規測量技術的缺點

2.1 測量精度低 礦山開采面的不規則性和常規地質測量選取特征點采集數據的局限性對測量成果的精度影響較大，主要有以下幾個方面：①測區地形的復雜情況；②特征點選取的位置；③特征點分布的密度；④計算模型的選擇。在平坦的礦山開采面上作業，都有一定保證的，但對于采掘面十分復雜的露天礦山來說，有很多地方巖壁陡峭，作業人員根本無法到達，因此特征點的選取位置和密度就不能得到滿足。根據《地質礦產勘查測量規范》的技術要求，其剖面點的高程中誤差不得超過1/3 等高距。目前，在實際的工作當中，礦山的開采儲量都是經過補做外業工作或多次核算來完成的。由此可見，常規礦山地質測量技術的落后已經嚴重影響了礦山儲量的可信性，制約了礦山儲量動態監管的實際效果。

2.2 測量速度慢 常規的地質測量技術受外界條件、人員和儀器的影響較大，速度比較慢。通常，一個作業小組完成一個礦山的全部測量工作需要兩天，而礦山儲量動態監管要求時效性很強，一般的作業時間只有九十天左右，這樣，一個作業小組只能測量四十多個礦山，可以看出，傳統地質測量技術是很難滿足礦山儲量動態監管需要的。

2.3 安全隱患多 露天礦開采面有諸如落石、陡峭的山體、不穩定的礦體等不安全因素，這樣，測量人員的工作環境就很危險。然而，無論采用什么樣的安全措施都無法從根本上消除客觀存在危險，最好的辦法只能是遠離開采區。

2.4 直觀性差 常規的地質測量技術采用的是數據報表，并沒有與數據相對應的礦山圖像，因此，監管人員無法直觀了解礦山的實際開采狀況。

3 三維激光掃描技術的原理及特點

3.1 三維激光掃描技術的原理 三維激光掃描儀是一個高級的非接觸式空間結構測量系統。通過發射紅外線光束，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，掃描儀將獲得激光點所接觸物體表面的信息進行處理并自動存儲和計算，獲得點云數據。對于掃描物體表面測量點Mj，每個完整掃描會產生點云的三維坐標(Xm，Ym，Zm)。代表一個點云∑Mj（Xm，Ym，Zm）作為掃描結果，其中

式中，X0，Y0，Z0表示激光掃描點中心的位置，可根據數據解算需要設置：φ,ω,κ 為初始的姿態參數，β 為每個激光點與初始姿態夾角，r 為每個激光點測距結果。

3.2 三維激光掃描技術的特點 三維激光掃描技術為礦山測量提供了重要的技術手段，與常規測量相比，它具有以下特點。①非接觸測量，能夠對任意物體進行掃描；②采樣速度快、密度高，時效性和精度有保證；③數據處理快，能夠快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據；④數字化采樣，兼容性好，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件對接。⑤可與外置數碼相機、GPS 系統配合使用，大大擴展了三維激光掃描技術的使用范圍，對信息的獲取更加全面、準確；⑥結構緊湊、防護能力強適合野外使用。目前常用的掃描設備一般具有體積小、重量輕、防水、防潮，對使用條件要求不高，環境適應能力強，適于野外使用。

4 三維激光掃描技術在露天礦測量中的應用

4.1 三維激光掃描儀工作流程簡介 ①要進行實地踏勘，根據測區的實際情況，選擇若干個能夠長期保存的控制點，合理布設掃描測站；②按照工作計劃進行數據采集工作。在控制點安置儀器，按儀器的操作要求在實地獲取點云數據；③對采集好的點云數據進行統一坐標系統、拼接、去噪等預處理；④建立三維影像模型；⑤根據工程的實際需要計算相關數據。

4.2 提交的主要測繪成果 通過建立真實的三維模型，匹配真實影像數據作為模型紋理形成的礦山掃描影像；點云數據和礦體的三維模型；在三維模型的基礎上，通過測繪技術手段完成的大比例尺礦區地形圖和地質圖；根據礦產分布、作業能力和技術手段繪制礦山開采區塊分析圖；地形、地質測量的成果質量分析報告。

5 應用實例

以上對三維激光掃描技術和三維激光掃描儀進行了介紹，下面結合實例分別用三維激光掃描儀和普通測量儀器對兩個露天礦進行測量，測量分四個組同時進行，每個礦均安排兩個組，分別采用不同的測量方法，根據實地情況，簡單分析如下：表中是兩個大型露天礦采用兩種測量方法分別得出的數據。礦A 的開采面坡度變化小比較規則，礦B 的開采面坡度變化大比較復雜，具體數據如表1。

表1

通過此表，可看出以下幾點：①三維激光掃描技術可以在短時間內獲取大量測量點，獲得更加嚴密、真實、客觀的點云數據，從而可以大大提高露天礦山地質測量精度；②三維激光掃描技術能夠大大節約人力和時間；③三維激光掃描技術能夠將數字高程模型與獲得的影像融合，這是由于該技術融合了動態分析技術；④從測量結果上來說，三維激光掃描技術獲得的結果比傳統技術獲得的結果更加穩定可信。

[1]童光煦.高等采礦學[M].北京：冶金工業出版社，1995.

[2]張國良.礦山測量學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2005.

[3]徐進軍.地面三維激光掃描儀現狀與發展[J].測繪通報，2007（1）：47-50.