基于三維掃描測量的礦山測繪系統應用

皮廷亮

（云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山 663701）

近年來，隨著科技的進步和工業技術的發展，三維掃描測繪技術也取得了重大突破，原本傳統的測量方式是單點測量，如今該技術的獨特優勢就在于有著更高效率和更高精度。可以實現對空間點位信息的大量、快速采集，將物體三維影像模型非常快速地建立出來的一種技術方法，如今應用越來越廣泛[1]。與此同時，該技術的拓展性也是比較強的，在不同的空間形態也能夠得以適應，不但可以使測量的精準性得到一定保證，還可以將采區三維數據模型同時生成出來，以及使得測繪人員的人身安全得到最大限度的保障。

1 三維掃描測量技術原理

在測繪領域，該技術算得上繼RTK 技術以后的一次技術革命，又被稱之為實景復制技術。跟傳統的單點測量方法相比，它利用激光測距，有高效率、高精度的諸多優勢。三維掃描測量是無合作目標激光測距儀與角度測量系統組合的自動化快速測量系統，被測物體即便在較為復雜的空間和現場都可以被快速掃描測量，凡是激光點所接觸到的，該物體表面的反射強度、斜距、天頂距、水平方向等相關信息都能夠直接獲取到，然后這些數據信息會被自動存儲下來并進行后續的相關計算，從而獲得點云數據[2]。然后計算機會對點云數據再次進行一些處理，再借助一些軟件，比如3dmine、CAD、Cass 等等，那么被測物體就能夠以三維模型的形式被快速重構出來，并順便獲得各種圖件資料，比如空間、體、面、線等。此外，該技術由于還能夠對目標對象的數據點進行大量、密集地采取，所以相對于過去的單點測量，無疑是一種革命性突破，已經從過去的單點測量進化成為了如今的面測量。

2 三維掃描測量優勢

2.1 非接觸測量

該技術在對目標物體進行測量的時候，并不需要對任何表面進行額外的相關處理，僅僅需要將物體表面的三維數據進行直接采集就可以了。

如此一來，一些人員難以企及的目標、所處環境較為惡劣的目標、較為危險的目標等等，都可以借助該技術完成測量，這就是所謂的非接觸測量。

2.2 數據采樣率高

該技術由于采用的是時間激光又或者脈沖激光，所以其采樣速率是非常快的，通常能夠達到數千點/秒。而如果測量的時候采用的是相位激光方法，這個數值甚至能夠達到數十萬。

2.3 主動發射掃描光源

目標物體的數據信息主要是通過對自身發射出去的激光回波信號進行探測，從而獲取到的，所以整個掃描過程并不會受到掃描環境的太大影響。

2.4 高分辨率、高精度

該技術能夠實現對海量點云數據的高精度、高速率獲取，能夠對掃描對象進行三維數據采集，而且是高密度的，如此使得所構建的模型有著較高的分辨率。

2.5 數字化采集、兼容性好

該技術所采集到的數據由于是直接獲取的數字信號，從而帶有數字化特征，使得后期的處理及輸出變得更加輕松，在進行數據交換和共享的時候，能夠與其他常用軟件實現對接。

3 三維掃描測量成果與露天礦生產過程的結合

通過野外掃描數據收集，掃描成果有測量的采掘方量驗收、采場邊坡穩定性分析、邊坡位移監測、采場和排土場現狀圖、尾礦庫測量等等。地質方面的巖層界線提取和邊坡巖土工程分析。

采礦工藝方面有生產計劃編制、露天卡調系統、采掘區域爆破設計、超欠挖分析、采礦損失、貧化、回收率統計、露天礦山設計等。

4 LR3-CT在某露天礦山中的應用

4.1 采掘方量驗收

LR3-CT 進行露天礦山采場驗收測量是通過對比兩期數據模型，從而計算兩期間的采掘方量。依據實測模型圈定采掘區域范圍線，再應PointStudio 中的體積統計功能，可以一鍵統計多區域體積。

4.2 邊坡參數統計

LR3-CT 配套軟件可以快速統計露天邊坡平臺寬度、坡面角度等參數，方便礦山邊坡安全管理。

4.3 巖土工程分析

邊坡穩定性與其節理構造發育有關，應用LR3-CT 三維激光掃描儀可以快速采集邊坡點云數據，同時采集影像信息，原始點云數據，通過對邊坡點云數據進行節理構造提取，生成相關地質圖件，如赤平投影圖，地質玫瑰圖，邊坡穩定性分析。

4.4 邊坡監測

4.4.1 邊坡曲線分析

監測系統可將三維激光掃描儀采集的邊坡數據進行自動處理，可自定義邊坡區域，軟件自動分析繪制該區域的位移曲線、速度曲線、反速度曲線等，并可實現變形區域的歷史數據查詢，保障數據的完整性[3]。

4.4.2 邊坡監測實時性

Maptek LR3-CT 三維激光掃描儀擁有IP65 的防護等級和高防震設計，基本保障了掃描儀長時間持續監測。使用太陽能蓄電池供電或者其他不間斷電源持續供電；使用光纜進行數據傳輸，以連接監測點與調度中心，使數據與結果實時傳輸回調度中心。

利用配套的Sentry 軟件可實現掃描儀數據自動采集、數據自動處理與統計分析，通過Sentry 軟件對監測區域及監測數據采集周期進行設置，可實現同一監站對多個被檢測區域進行同時監測。

4.5 LR3-CT 施工質量檢測

露天礦開挖過程中，受爆破和采掘影響，將出現超、欠挖現象，更多的圍巖或者低品位礦山開采將直接增加生產成本；開采外置或者采掘不完全將直接導致資源浪費，此二者均給企業與國家帶來巨大的經濟損失。隨著地質勘查與生產設計裝備水平不斷提高，地質勘查越來越詳細與及時，生產設計采用大量專業設施工具軟件，同時配套三維激光掃描儀進行現場數據采集，使得設計越來越精確，生產驗收效率與精度都越來越高。

我們期望一個工具可以自動計算大量現場數據，并與設計結果進行準確對比，以實現礦山生產精細化管理，因此應用LR3-CT 并配合PerfectDig 可實現露天礦山超欠挖的實時查詢，并統計超、欠挖工程量。

4.5.1 超、欠挖實時查詢

應用PerfectDig 軟件可以在掃描的同時，實時了解現場的超欠挖情況，為后期計劃提供依據。軟件提供了自動數據拼接、自動數據過濾、自動數據建模等功能，為實時數據查詢提供了可能，為礦山標準化管理提供了依據。

4.5.2 超、欠挖量計算

LR3-CT 在掃描現場時，可快速計算現場的超欠挖量，及時分析現場情況，為現場清理和爆破優化提供依據。可及時分析邊坡傾角，為邊坡穩定性分析提供依據，如圖所示。

4.5.3 成果快速發布

超欠挖分析結果，可輸出為PDF 報告，也可以發布到網上，通過網絡瀏覽，實現遠程遙控，如圖所示。

圖2 完成三維掃描測量后輸出數據報告

4.6 LR3-CT 建筑物及設備掃描

LR3-CT 可以快速采集建筑物及設備點云數據，為礦山數字化建設提供基礎模型數據。

4.7 LR3-CT 隧道掃描

LR3-CT 可以配合全站儀掃描隧道現狀數據，通過點云三維重構，可以快速建立隧道三維模型，可實現隧道支護厚度檢測、橫斷面測量、隧道超欠挖分析、變形檢測及應力分析。

5 總結

總而言之，三維掃描測量技術是一項測繪新技術，有著精確、高效、快速等諸多優點，由于一旦開采礦山過程中遭遇到任何相關阻礙因素都可能造成更加嚴重的安全事故發生，所以為了進一步確保現場工作人員的人身安全，那么就需要將三維掃描測量科學合理運用起來，如此一來，不僅能夠使得礦山開采效率得到大大提升，能夠有效控制各個重點要素和關鍵環節，從而為現場工作人員的人身安全提供最大限度的保障，進而助力我國礦山開采工作得以實現有序開展，使得相關工序得到切實的維護。