三維激光技術在礦山測量中的綜合應用

彭勁松,葉 波,李 娟,周光明

(1. 湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005; 2. 武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

在礦山建設和采礦過程中，礦山測量是為礦山的規劃設計、勘探建設、生產和運營管理及礦山報廢等進行的測繪工作。

三維激光掃描技術以高密度、高精度和高效率的測量手段，完成礦山生產過程中地形測圖、堆體體積計算、礦區沉降觀測等工作，是實現礦山高效、精細化生產的有效保障。

傳統方法運用到的儀器主要有GPS、全站儀、水準儀等，可以測量到比較精確的點位位移，但觀測點過少、觀測時間過長，無法實施整體監測。傳統方式一般采用免棱鏡全站儀觀測滑坡體局部特征點，但只能采集單點數據，數據量非常有限，不能很好地對滑坡做好勘查、監測工作。若采用無人機通過傾斜攝影測量來進行數據采集，精度也不是很理想，同樣無法滿足要求。

本文采用三維激光掃描儀對廠房和礦山進行數據采集，使用配套軟件生產加工完成1∶500地形圖、堆體體積計算，以及滑坡對周邊區域預警分析等成果，并將采集處理成果和傳統RTK測量方式獲得的結果進行比對。數據顯示，無論在精度，還是在采集處理效率方面，均可以獲得令人滿意的效果。

1 總體技術路線

本文技術路線如圖1所示。

2 設備及配套軟件

使用設備為HS系列高精度三維激光掃描儀，該設備為脈沖式地面三維激光掃描設備，非常適合地形測繪、礦山測量等大場景區域測量應用,如圖2所示。

硬件部分：設備具有5 mm的測量精度，最遠測距可達1200 m,整機具備IP64防護等級，可連續使用4 h以上，內置240 GB固態硬盤,此次作業主要采集航道區域的點云及全景等。

軟件部分：配套軟件具備點云預處理、全景與點云配準著色、點云分類濾波、測圖、提取矢量要素、體積計算、預警分析等功能。

圖1 技術路線

圖2 HS系列高精度三維激光掃描儀

3 作業流程

3.1 現場環境

現場環境為北方某露天礦坑，常年風沙巨大，車輛運輸較為頻繁，如圖3所示。

3.2 外業數據采集

設置掃描參數對外業環境進行數據采集，對標配靶標精確掃描，并采用后視定向的方式獲取絕對坐標位置。

圖3 現場環境邊坡

3.3 坐標轉換

可通過兩種方式進行坐標轉換：

(1) 精掃3個標靶后，提取標靶點中心位置，進行三坐標七參數轉換。

(2) 可通過RTK連接組件進行后視定位定向方式轉換坐標，如圖4所示。

圖4 坐標轉換

將外業RTK數據通過固定參數轉換為掃描儀相位中心點作為定位點，將后視定向靶標通過固定參數轉換為標靶中心點作為定向點。

3.4 內業數據處理

工程數據內業處理基本步驟：

(1) 使用HD 3LS Scene軟件進行點云預處理，全景與點云配準著色，點云分類濾波。

(2) 使用HD PtCloud Vector(For AutoCAD & ArcGIS)進行測圖，提取矢量要素。

(3) 生產DEM、DWG及滑坡區域預警分析。

3.5 數據成果

處理成果包括礦山點云、礦山數字高程模型、礦山數字線劃圖等，如圖5—圖7所示。

3.6 確定邊界范圍

由于需要確定滑坡邊界位置，結合地質資料確定地層巖性從而判斷地質結構應力，并反演不同應力結構下的地層可能滑坡的整體方量、坡度角度及下滑的可能位置，分別如圖8—圖11所示。

圖5 礦山整體點云

圖6 礦山數字高程模型

圖7 礦山數字線劃圖

圖8 邊界及鉆孔位置坐標點

圖9 邊界范圍模型

4 結 語

三維激光掃描技術可以將礦山的所有實景信息復制到計算機，大大提高了測量效率，節約了人力物力，縮短了周期，并且可以轉換為計算機可以瀏覽和分析的高密度數字化信息，從而實現數字礦山的精準管理。

圖10 邊坡彩色點云側面圖

圖11 總面積與總體積

根據三維激光掃描技術，不僅可以利用獲取的三維激光點云數據建立礦山的數字模型，在此模型上還可以提取多種高精度、高密度數據信息，如任意位置長度、距離、體積、面積等。

將多次掃描的數據模型進行疊加分析，可精確計算出目標的結構形變、位移及變化關系等，為指導礦山安全生產提供真實可靠的基礎數據。