三維激光掃描技術在數字礦山中的應用

孫茂存，楊文華，夏積德

(楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

隨著三維可視化技術的發展，空間三維數據信息在數字化城市建設、數字礦山管理及數字地球等方面得到了廣泛的應用。數字礦山則是對礦山的三維圖形信息和屬性信息進行數字化存儲和處理后，進行可視化表達的新理念。數字礦山要求能夠全面瀏覽和分析礦山的三維實景信息，而目前用全站儀和GPS采集的礦山三維信息數據是單點數據，難以反映復雜的地形信息，不能夠滿足數字礦山的需求[1]；因此，將礦山的三維實景信息可視化是亟待解決的問題。三維激光掃描技術的出現和發展有效地解決了這一難題，推進了數字礦山的發展。

1 三維激光掃描技術

通過掃描實物，快速地獲得該物體的空間三維數據，重建該物體的三維實體模型稱為三維激光掃描技術。該技術是非接觸式測量，即無需接觸被測目標，即可快速、動態、實時和自動化地獲取目標的高精度、高分辨率的三維空間信息數據，比傳統三維測量方法優勢更加顯著[2]。三維激光掃描技術獲取的三維信息是點云信息，由高密度的離散點組成，真實的反映目標的三維信息，內容豐富，無需進行實物表面處理，數據真實、可靠。三維激光掃描技術以其高精度、高效率的優勢在文物古跡保護、室內設計、交通事故處理和數字城市等多方面應用廣泛，尤其可為數字礦山建設提供準確、詳盡的三維空間信息，在數字礦山中廣泛應用[3]。

三維激光掃描系統能快速、高效地獲取目標表面的空間信息。測量采用激光測距原理，通過對水平和豎直方向角度記錄，計算出目標點與掃描儀的相對位置[4]。持續發射激光全面掃描待測目標，在硬盤中存儲獲取的三維數據，用專用軟件對獲取的三維數據進行處理，測量獲得的點云數據在計算機上實時顯示。

該技術在數字礦山中的應用有3個優勢：1)實現了礦山的精準化管理，可以通過網絡對礦山的實景信息進行瀏覽查詢；2)可以直接對礦山的三維模型進行數據查詢，且查詢數據結果真實可靠； 3)分時段多次對同一礦山進行掃描建立數據模型，對所得不同時段的數據模型進行疊加分析，可以及時發現目標的結構變化及位移情況，得到的變化數據直接反映了礦山的動態變化情況，指導礦山的安全生產。

2 三維激光掃描技術在數字礦山中的應用

2.1 礦區三維可視化管理及地下巷道的三維可視化

建立礦區的地表三維模型，全面、快速掃描整個礦區，掃描得到的三維點云數據，通過軟件處理得到該區域的三維實景模型，并通過后處理將圖形信息掛接對應的屬性信息，用戶在點擊圖形的同時就可以看到該圖形對應的所有屬性信息，還可通過建立空間索引的方式實現圖形信息和屬性信息的連接，從而實現礦山的數字化管理。

三維激光掃描技術獲取三維點云信息十分完整，不僅包括巷道內詳細的空間信息，還包含了礦山的紋理信息和巷道內的設備及附屬設施信息。經過軟件處理后監理的巷道三維模型直觀、詳盡地反映了巷道內部的三維真實場景，用戶可以實時地了解開采進度，查看設備信息[5]。在巷道三維模型中載入人員定位系統，在三位場景中實時顯示定位井下工作人員的具體位置，還原工作人員運動軌跡，了解其具體動向，如圖1所示。在巷道模型中加載安全監測設備信息，當巷道內出現異常情況，監測設備發出警示并在三維模型中實時報警顯示具體位置，實現了礦山的三維可視化安全監測。如果將員工的安全培訓放在三維立體模型下進行，效果顯著，可以有效地提高管理效率。

圖1 礦井三維可視化圖

2.2 礦區Web點云的瀏覽和量算

經過處理的礦山的Web點云信息可以用Windows內置IE瀏覽器瀏覽查詢，這些數據是在三維激光掃描的點云數據的基礎上經過紋理處理和軟件后處理得到的[3]。礦山的三維形態可通過網絡的形式進行展示。礦區的Web點云具有礦山的三維實體的空間信息和紋理信息。用戶既可以通過網絡瀏覽查詢礦山的整體信息，也可以瀏覽查詢局部信息，還可以通過軟件提供的量算功能獲取所需的具體數字信息，且量算結果準確可靠。礦區Web點云詳細地展示了礦山的細節信息。

2.3 開挖體積的統計及采空區治理

用三維激光掃描儀定期對露天礦坑進行測量，建立三維空間實景模型。通過前后不同時期建立的模型疊加分析，可直接獲取變化信息，計算這段時間的開采量。可根據目前獲取的數據，結合開采計劃，在三維模型上進行模擬，預算開采量，指導礦山生產安全科學[6]。

地下開采形成的采空區，容易引發危險事件，危及礦山生產及工作人員的人身安全，影響礦山正常生產，制約礦山的可持續發展；因此，應掌握采空區的詳細信息，分析具體情況，制定合理有效的解決方案。獲取礦山采空區的詳細信息必須通過測量的方式，由于礦山采空區地形復雜、特殊，難以靠近，傳統測量難度很大，而三維激光掃描技術在測量時無需接觸目標即可獲取三維空間信息，且信息詳盡，在礦山采空區探測中優勢顯著[2]。根據掃描得到的點云數據建立三維模型，該模型真實地反映了采空區的詳細情況，可通過軟件功能查詢計算所需信息，例如采空區的體積、邊緣信息等，真正實現了可視化計算。采空區三維模型如圖2所示。采空區一般位于地下，內部環境復雜多變，測量采用三維激光掃描技術測距>83 m時，且精度較高(可達到±3 cm)。

圖2 采空區三維模型

3 結語

在采集礦山空間三維信息獲取方面，三維激光掃描技術與傳統測量模式相比具有以下優點。

1)實用性強。在地形復雜、危險的山區，由于三維激光掃描技術非接觸即可測量，所以優勢顯著。另外，井下巷道光線較差，三維激光掃描技術可以全天候作業，適用于井下作業。

2)直觀性好。三維激光掃描技術獲取的信息是三維信息，可以直觀地表示礦山的真實形態，為數字礦山發展提供了豐富、優質的基礎三維信息數據。

3)成果多樣化。用該技術測量得到的三維點云數據信息豐富、全面，利用這些信息可以制作多種常規測量無法完成的高端成果[1]。

三維激光掃面技術在數字礦山中的應用為數字礦山的建設提供了一個快速、高效的獲取礦山三維信息的嶄新技術途徑，突破了傳統單點測量的弊端，有效地解決了數字礦山領域當前的技術難題，是一項新興的測繪技術。本文介紹的只是該技術的一小部分應用，在數字礦山領域，該技術仍處于發展階段，其在數字礦山領域的應用前景將十分廣闊。

[1] 白立飛，潘寶玉，張蘭.三維激光掃描技術在數字礦山中的應用[J]. 測繪科學，2013，38(5):178-179.

[2] 白立飛，潘寶玉，張蘭.三維激光掃描技術在數字礦山中的應用[J]. 山東國土資源，2013，29(8)：43-46.

[3] 范玲玲.激光掃描技術在數字化礦山中的應用探討[J]. 赤峰學院學報(自然科學版)，2014，30(6)：53-55.

[4] 唐藝.基于三維激光掃描技術的活立木材積測量方法[D]. 北京：北京林業大學，2012.

[5] 蔣江生，楊興元.三維激光掃描技術在建筑立面測繪中的應用 [J].地礦測繪，2014，30(3)：38-40，47.

[6] 王健，李雷，姜巖.天寶三維激光掃描技術在數字礦山中的應用探討[J].測繪通報，2012(10)：58-61，91.