三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用

（中國黃金集團內蒙古礦業有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021400）

由于露天礦山生產比較特殊，其測量工作也有著一定的特點，在科技快速發展過程中，測繪方法也越來越先進，露天礦的隨時采挖與采挖后土石填補，均需要第一時間進行測量，但是對常規儀器來說，精度與效率已經難以滿足現階段礦山測繪工作的要求。三維激光掃描儀是一種快速立體測量設備，能夠保證空間形態測量的精確性，從而生成采區三維數字模型[1]。由于三維激光掃描儀測量速度快、精度高，并具備非接觸與操作簡單等特點，在露天礦山測量中應用日益廣泛。

1 露天礦測量的主要任務

露天礦測量的主要任務是礦山儲量地質測量。礦山儲量測量是以礦山占用資源儲量登記依據的礦產勘查報告或儲量核算報告和上年度礦山儲量年報為基礎，運用礦山測量和礦山地質編錄、礦山采樣測試等技術手段，通過礦山地質資料整理，估算礦山本年度的開采量、損失量以及資源儲量增減量，編制礦山儲量年度報告，對礦山本年度保有資源儲量進行年度結算。礦山儲量的核心工作是礦體的測算精度問題和歷年相關儲量數據的一致性，連續性問題。

露天礦山地質測量的主要工作內容有：建立礦區基礎控制網和礦山的基礎技術檔案；對開采區域按嵌《規范》[1]要求進行地質測量，計算開采區域(界內、界外)的礦體體積；地質測量的成果質量檢驗；儲量計算和礦區圖件制作；編制年報。

2 三維激光掃描儀的基本原理

三維激光掃描系統構成部分包括電源供應系統、控制器和掃描儀，通過對CCD與儀器內部控制等系統的集成，發揮出激光測距與激光掃描等功能。儀器中利用2個同步反射鏡進行快速、有序的旋轉，將激光脈沖依次掃描過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物體表面再返回儀器所經過的時間（或相位差）來計算，并對控制模塊控制與測量每個脈沖激光角度進行掃描，將被測物體上激光點的三維計算出來。

3 三維激光掃描儀在露天礦山測量中的具體應用

本文以某露天礦山為例，該露天礦山分為南北兩個礦段。目前，南礦段東西長約0.7Km，南北寬約0.6Km；北礦段東西與南北寬分別為2.2Km與1.9Km，且北礦段呈馬蹄型。

測量流程：在本礦山測量中，采用的儀器有2500米左右的最大有效掃描距離，2.5m的最小掃描距離，最遠距離內斜距測量精度為10mm左右，平均測量精度為5mm，掃描儀垂直與水平掃描范圍分別為0°～80°和0°～360°；為了能夠有效對比傳統測量方式，同時借助于GPS-RTK技術來測量部分特征點，然后對兩種測量結果進行對比。測量方案的制定，需要將測區實際踏勘情況給充分納入考慮范圍，對控制點合理選擇，以便科學架設三維激光掃描儀，對各個測站的測量面合理劃分；然后結合測量方案來采集點云數據，對儀器的水平、垂直方向掃描的分辨率合理設置，在采集數據的過程中，需要避免掃描儀被人員或者其他物體所遮擋[2]。

圖1 DEM圖

數據處理：在處理軟件中導入野外作業采集到的點云數據，轉化坐標系統，配準多測點云數據，之后拼接點云數據，以便對測區三維數據完整的獲取，以便促使有等高線圖、DEM圖等生成（如圖1）。對比RTK技術測量結果與三維激光掃描所測結果：在測量人員方面，RTK與三維激光掃描技術分別需要6人和2人；測量時間方面分別需要20小時和6小時；三維模型精度方面分別為不合格與良，采樣點分布分別為不均與和均勻。通過對比發現，相較于傳統測量技術，三維激光掃描測量的操作難度較小，工作量得到了減輕，并且能夠均勻分布采樣點，不需要花費較長的測量時間，三維地形測量的精度要求也能夠有效滿足，具有一系列的優勢。

4 三維激光掃描儀在露天礦山測量中應用體會

（1）測量速度快。在天氣與地質等因素影響下，露天礦山現場容易出現巖石崩塌現象，只有減少現場測量時間，才能保證儀器與測量人員的安全。三維激光掃描儀測量速度是8800點/秒，為同類掃描儀中采點速度較快的一款儀器，能夠有效減少現場測量時間，同時獲得完整、準確的現場數據。

（2）全視場角 360°×270°。山體現場狀況極為復雜，適合測量儀器架設的位置不多，需要注重穩固與安全，便于測量人員順利到達。因此，增大測量設備的視場角，可以避免對測量人員設站帶來限制，同時可以保證數據內容收集的完整性。尤其是山體測繪中非常重要，對其他掃描產品來說，一般僅可以測量約40°的視場角的對象，在陡峭巖體處，需要多次移動設備與測量。三維掃描儀則能夠自動實現360°×270°的全景測量，同時在儀器工作過程中可以測量到準確的數據。

（3）測量精度高。提升測量的精度，能夠保證后續數據結果的準確性，對三維激光掃描儀來說，其測量精度表現在以下兩點：一是儀器標稱的精度，二是結果點云的質量。通過提升測量的精度與點云的質量，可以讓后的處理得到準確的基礎數據，讓后處理順利進行。使用三維激光掃描儀以后，可以得到均勻、細密的點云，噪點不多，讓后續處理有良好的原始數據，并保證數據結果的準確性。

（4）惡劣環境下穩定工作。礦山動態監測過程中，工作現場海拔高，現場環境污染比較嚴重，而在如此惡劣環境內應用三維激光掃描儀，順利完成了所有任務[3]。

（5）非接觸測量，保障了安全。進行動態監測的時候，大多數區域極為危險，為防止震動造成山石崩落，提高測量人員安全，一些測量不能靠近進行，這凸顯了非接觸測量的重要性。三維激光掃描儀利用非接觸的激光掃描，可以實現遠程采集現場數據，在計算機內存儲獲得的數據，測量人員離開現場以后可以根據測量數據開展量測與結果處理。

5 結語

綜上所述，在露天礦山測量工作中應用三維激光掃描儀，具有一系列的優勢，更加的快捷、方便和精確，避免人為篡改數據，得到更加客觀真實的儲量數據。借助于形象直觀的可視化數據分析模型，管理人員能夠清楚的了解礦山狀態與開采過程，能夠動態監管礦山儲量。同時，相比于傳統露天礦山測量技術，三維激光掃描技術效果更加明顯，能夠為礦山提供安全、可靠、準確的信息，是現階段露天礦山測量中最經濟、最有效、最安全的技術方式，應廣泛推廣應用于露天礦山測量中，從而有效保障礦山作業的安全。在未來的發展中，3D激光掃描技術將會更加廣泛的應用到露天礦測量中，相關的工作人員需要積累實踐經驗，不斷完善和創新，提升露天礦測量質量與效率。

[1]鐘濤.基于三維激光掃描測量技術的露天礦山變形監測研究[J].科技與創新，2015（15）：141—141.

[2]范正岳，徐茂文.基于三維激光掃描的露天礦山儲量測量研究[J].礦山測量，2014（4）：10—11.

[3]楊華祥，張坤梅.三維激光掃描技術在露天礦測量中的應用[J].環球人文地理，2016（20）：147.