三維激光掃描技術在礦山儲量監測中的應用探討

馬華雪 孫家兵

摘 要： 三維激光掃描儀在近十年來取得飛速發展，由于其特有非接觸，高速，全信息化的采集數據能力。使其在眾多領域獲得廣泛的應用：從工程建設，考古研究，地質災害，森林分析，測繪與地理信息，刑事偵查等。本文主要通過三維激光掃描在礦山儲量測算中的應用分析，剖析三維激光掃描技術與傳統測算技術的優劣以及其在礦山管理中的應用前景。

關鍵詞： 礦山儲量 點云 矢量數據模型 三維激光掃描技術

一、礦山儲量管理現狀

1.管理的內容和技術方法：礦山儲量動態管理的目的是適時、準確掌握礦山資源儲量保有、變化情況，促進礦山資源儲量的有效保護和合理利用。并通過礦山測量、礦山地質調查等工作，建立礦山儲量臺帳，編制礦山生產有關圖件及《礦山儲量年報》方式來實現。

而礦山測量是礦山儲量管理最基礎性技術工作，其主要工作內容是在礦山建設和生產過程中進行地上、地下工程施工測量，測繪采掘（剝）工程圖，繪制礦體幾何圖，對采掘工程的數量和質量、采礦量和礦石損失貧化等進行統計和監督。測制礦區大比例尺地形圖或現狀圖。

現行的礦山測量一般都采用全站儀或GPSRTK采集礦區平面和高程數據，結合設計開采（范圍，坡度，臺段高度）信息，通過人工計算或AUTOCAD等軟件幾何作圖求出各開采段的礦產剖面形狀，再利用下列公式估算開采量：

公式①：當上、下斷面面積差比值 ≤40%時，采用棱柱體公式計算，公式為V= （S1+S2）。

公式②：當上、下斷面面積差比值 >40%時，采用截錐體公式計算，公式為V= （S1+S2+ ）。

公式③：當塊段僅有一個斷面有效，另一端作點尖滅時，采用角錐體公式計算，公式為V= S。

公式④：當塊段僅有一個截面有效，另一端作線形尖滅，采用楔形體公式計算，公式為V= S。

上面的方法實質是斷面法的變異，也可以根據一般的土石方計算軟件采用方格網法進行計算。

計算附圖也主要以二維平面圖為主。輸出的數據是離散的數據文件，包括圖形文件：*.dwg，文檔數據*.doc或*.xls。

2.存在的問題

目前所應用的礦山測算方法已經沿用多年，雖然對礦山的動態管理和礦山年報的制作起到一定的作用，但與礦產資源精細化、信息化管理還有相當大的差距。而在全省，乃至全國露天礦數量眾多，其開采狀況與自然環境有密切的關系。加強對這些礦山的管理和監測不僅是礦山資源管理的任務，也是環保部門迫切需要關注的問題。

傳統的礦山測算方式存在以下不足：

1， 全站儀或GPS測量是粗放的采集離散點，尤其是在開挖不規則的礦區，其與實際情況的吻合度較低。

2， 傳統方法采集數據需要人員到地形特征點跑尺，不僅帶有一定的危險性，而且其測量效率低下。

3， 傳統的礦山測量數據后處理，采用的計算方法落后（粗放的近似估算），數據處理自動化程度低，計算結果帶有較大的誤差。且成果的直觀性差，可驗證性不大。

4， 輸出的圖形形式單一，可讀性不高；文檔結構松散，不便于歸檔，查詢，更新，分析，統計，共享和預決策使用。

二、三維激光掃描技術原理及發展趨勢

三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。新型掃描一般配置同軸高清數碼相機，在采集點云數據同時采集對象的柵格圖像數據，并能實現點云柵格數據的匹配。新型掃描儀的掃描速度都在10000點/秒以上。由于其能快速，精確，全面信息采集功能，使得其應用無所不在。以徠卡新型HDS8800掃描儀為例，該儀器最大測程為2000米，視場角360*80，內置同軸7000萬像素相機，預留GPS通訊端口。其配置的專業I-Site Sudio數據處理軟件，能進行掃描儀控制，拼接，建模 （二維，三維），數據導出，體積、表面積計算，生成等高線，繪制斷面圖、產狀圖，三維場景渲染，建筑總平面等圖和立面圖繪制。非常適合礦山，地形，海島灘涂，電力線路巡檢等遠距離監測應用。隨著三維數字城市，智慧城市，物聯網技術的飛速發展。三維掃描儀在虛擬地理環境（VGE）中的應用將會得到普遍的應用。

三、案例應用

1.以某石礦為例來說明三維激光掃描儀的應用優勢：

某石礦位于浙江省新安江市，采掘面積約0.09平方公里，年開采量約10萬噸。2011年運用傳統方法和三維激光掃描方法同時對概況進行儲量開采測量。為了能更好的進行比較，驗證三維激光掃描儀技術的精度。我們在采用傳統全站儀采集數據時分成3個等級進行。第一個等級用了15米采樣間距；第二個等級用了10米采樣間距，第三個等級用5米采樣間距。三維激光掃描是采用0.1m/200m的采樣密度進行。

2.結論：

通過上面的例子我們明顯的看到，應用三維激光掃描技術來進行礦山地質測量工作，有著傳統測量無法比擬的優勢，主要表現以下幾個方面：

1， 采集數據信息豐富。三維激光掃描儀不僅僅采集單一的平面幾何數據，通過內置數據相機，能夠采集到實體對象的屬性信息（色彩，形狀，物體類型，材質等）。這些數據的通過疊加能夠實現所謂的“實景復制”。

2， 安全高效。激光掃描技術屬于非接觸測量，對于人力無法到達或危險地區如懸崖，沼澤，高壓設施等，激光掃描技術無疑是最佳選擇。其高密度、高速成片掃描既保證了掃描的質量和速度，同時也大大提高生產的安全性。

3， 成果的可靠性。三維掃描獲得的是海量的點云數據，其后處理是通過計算機模型自動處理，不僅提高測量數據的可靠性，同時也減少了內業的任務量。“實景數據”可以隨時調用，在線歷史現場。是歷史回溯的寶貴資料。

4， 數據的通用性。三維掃描數據既有矢量數據，又有柵格圖像數據，二者是嚴格匹配的。也是與目前的三維GIS數據要求一致的，可以根據需要隨時將這些數據轉換到GIS管理系統。實現礦山三維動態實時監管。

當然，作為一門新興的測量科學技術 ，三維激光掃描儀的應用也有其局限性。就礦山儲量管理應用而言，它無法探測礦體內部結構，所以無法獲得礦體的產狀。這對產狀復雜的金屬礦床來說，其應用受到大大的限制。但與地質勘探資料結合，采取適當的建模方式，對于提高金屬礦，尤其是貴金屬礦的估算精度還是非常有價值的。總之，三維激光掃描技術對于正在蓬勃發展的虛擬地理環境（VGE）建設給予越來越多的支持，有著廣闊的應用前景。

參考文獻

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