探討長測距三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用

蔡 璋，羅來林，王 晟，譚清燕，李 歡

（江西銅業(yè)集團有限公司 城門山銅礦,江西 九江 332100）

1 引言

高新技術和自動化設備是礦山智能化的基礎，也是提高礦山生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益的重要手段。礦山智能化發(fā)展應從小范圍、分專業(yè)入手，努力提升區(qū)域智能化技術水平，而采用長測距三維激光掃描儀進行露天礦山測量是探索礦山區(qū)域智能化發(fā)展道路之一。隨著三維激光掃描儀硬件及軟件的發(fā)展和進步，“實景復制”技術［1-2］在礦山測量，尤其是長測距三維激光掃描儀在露天礦山中的應用前景廣闊。目前城門山銅礦在智能化礦山建設中引進澳大利亞Maptek公司最新研發(fā)的I-SiteXR3CT長距離三維激光掃描儀，為礦山智能化建設提供基礎數(shù)據(jù)和模型，通過探討三維激光掃描儀測量方法、程序和采剝工程驗收，為該設備在露天礦山其他工程上應用提供參考。

2 三維激光掃描儀測量原理

2.1 三維激光掃描儀組成及坐標反算原理

三維激光掃描儀主要包括激光測距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和內(nèi)部攝像系統(tǒng)等幾個組成部分，測量的核心是距離測量［5］，通過測量站點與目標點位之間的距離反算目標點位的三維坐標。三維激光掃描儀一般按設定的旋轉(zhuǎn)軌跡及間隔自動發(fā)射一定掃描水平角度（α）、掃描垂直角（β）的激光，通過測量激光從發(fā)射、反射至接收過程的時間（t）確定目標物與掃描儀之間的距離（S），其原理如下：

目標點位坐標計算公式［3-4］：

圖1 三維激光掃描儀坐標反算圖

2.2 測距原理

三維激光掃描儀測距原理一般又分為脈沖式、相位式、三角式三種［6］。其中空脈沖式測距原理主要根據(jù)測量脈沖信號的往返時間（t）與脈沖信號在空氣中的傳播速度（v）計算而來，公式如下：

為了較精確的計算出脈沖信號的往返時間，在三維激光掃描儀內(nèi)部可以設置一個脈沖計數(shù)器，當脈沖信號發(fā)射時觸發(fā)脈沖器計數(shù)，當信號返回時觸發(fā)脈沖器停止計數(shù)。假設在一次測量過程中，脈沖計數(shù)器計數(shù)個數(shù)為N，脈沖頻率為F，則脈沖往返時間為：

圖2 脈沖式時間測量原理圖

2.3 儀器參數(shù)

儀器參數(shù)見表1。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)

2.4 儀器操作步驟

儀器操作步驟見圖3。

圖3 三維激光掃描儀操作步驟圖

3 城門山銅礦露天礦山采剝工程測量驗收的應用

3.1 工程概況

對城門山銅礦采礦場進行三維激光掃描儀采剝工程量測量驗收。該礦山為露天銅金屬礦山，其采礦場面積約為1.44km2，該礦山西、北面鄰賽湖、東面靠山。采區(qū)邊坡南部、北部植被較茂盛，東部、西部稀疏。測區(qū)最大落差為230m。

針對該礦山地形地貌情況，采用三維激光掃描儀進行采剝工程測量驗收。掌握該設備在該測區(qū)測量效果及工程量的準確性情況。

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 建立控制網(wǎng)

針對該礦山采礦場地形現(xiàn)場踏勘及三維激光掃描儀I-Site XR3性能情況，在采區(qū)四周通視良好區(qū)域布設共計5個圖根控制點。利用該礦山已有的CORS基站，進行圖根點測量，誤差在2cm范圍內(nèi)，圖根控制點坐標及控制網(wǎng)如表2、圖4。

表2 圖根控制點坐標

圖4 測區(qū)控制網(wǎng)圖

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)三維激光掃描儀操作步驟，對該區(qū)域進行一期、二期數(shù)據(jù)掃描，數(shù)據(jù)采集間隔時間9天。為保障數(shù)據(jù)采集準確可靠，測站點坐標與后視點坐標設置如下，一期共計采集全部5站數(shù)據(jù)。因僅進行局部數(shù)據(jù)采集，二期測量驗收在一期基礎上僅需采集3站即可完成基礎數(shù)據(jù)采集。見表3。

表3 一、二期數(shù)據(jù)采集測站情況表

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Maptek公司的點云處理軟件PointStudio，經(jīng)過數(shù)據(jù)匹配、噪點過濾、建立模型、方量計算和結果輸出等過程。

數(shù)據(jù)匹配是將各測站點數(shù)據(jù)相對坐標匹配至絕對坐標。由于I-Site XR3三維激光掃描儀測量模式較多，其相對坐標系多樣，常用的有內(nèi)部羅盤定位和外部控制網(wǎng)控制點約束掃描測量兩種模式。后者定位準確，不需要數(shù)據(jù)匹配，前者誤差相對較大，在3～5m之間，需要進行數(shù)據(jù)匹配。匹配可以按點名匹配、全局匹配、按時間匹配、按架站方式進行配準等。在全局匹配過程中，特別要注意公共區(qū)域的選擇，盡可能選擇公共區(qū)域較多的測站進行匹配，其配準精度較高。見圖5。

噪點過濾是對掃描儀掃描的現(xiàn)場移動設備包括車輛、人員、粉塵等數(shù)據(jù)的過濾。主要的過濾方法包括范圍過濾、角度過濾、多邊形過濾、平面過濾、近程過濾、粉塵過濾、最小間隔過濾、地形過濾、孤點過濾、強度過濾等方式（圖6）。

圖6 地表上過濾車輛圖

數(shù)據(jù)建模是對現(xiàn)狀的模擬，形成三維立體模型。主要的手段是先創(chuàng)建地表模型，對地表模型進行削峰處理、填洞、三角網(wǎng)編輯，然后對凹型地形進行球面建模、特殊地形點位提取并進行復雜表面建模，根據(jù)以上3類模型進行表面組合優(yōu)化，形成最終區(qū)域地表模型（圖7）。

圖7 北部-58臺階一、二期地表模型

方量計算及結果輸出是對兩期地表模型進行疊加處理，只要在PointStudio軟件中設置基準模型、計算模型、邊界及相關量參數(shù)，即可自動計算出兩者填挖方量（圖8）。

圖8 西北-70臺階填挖方量計算結果

3.4 采剝工程量測量對比

通過對采剝區(qū)域的坎上、坎下、地板特征點進行現(xiàn)場人工采集，共采集坐標約600個，與以往數(shù)據(jù)疊加，約計4000個測量點數(shù)據(jù)。同時利用兩期地表面積圈算公式，計算西北-70臺階等3個區(qū)域方量情況。體積計算是根據(jù)測量對象的形體，采用合理的計算公式和計算方法。

其相對差＜40% ，采用

其相對差＞40%，采用

式中：H為實際段高，S1、S2，上下對應面積。

根據(jù)上述體積計算公式計算出西南-58臺階兩期方量為：

圖9 西南-58臺階兩期圈定界限圖

通過上述方法，形成了三維激光掃描測量結果和GPS-RTK方量測算對比表，計算結果如表4。

表4 三維激光掃描儀與GPS-RTK方量測算對比

3.5 誤差分析

從上述表中結果看，可以明顯發(fā)現(xiàn)西南-58平臺和西北-70區(qū)域平臺方量測算結果相對誤差分別為-2.98%、-1.27%，低于允許誤差值4%；而北部-58平臺計算誤差值達到15.08%，遠遠高于允許誤差4%。

針對北部-58平臺計算誤差過大情況進行分析，我們發(fā)現(xiàn)2019年4月26日GPS-RTK早上測量界限灰色界限與三維激光掃描儀測量界限黃色界限幾乎吻合（見圖10），而本次測量結果為紅色界限，該界限為GPS-RTK在4月26日下午再次采集結果，因此該方量已經(jīng)計算至上月報表中，直接導致本次測量結果誤差過大。經(jīng)計算該區(qū)域方量V=SH=1732.40m3，按照實時界限重新計算北部-46平臺區(qū)域方量發(fā)現(xiàn)，其誤差為2.42%，在允許誤差4%范圍內(nèi)。

圖10 北部-58臺階26日GPS與三維激光掃描儀測量界限對比圖

3.6 優(yōu)點及測量注意事項

3.6.1 優(yōu)點

三維激光掃描儀相對于傳統(tǒng)GPS-RTK測量的優(yōu)點主要包括以下幾個方面：

（1）外業(yè)測量時間短。該長測距三維激光掃描儀測量方圓一公里的露天礦區(qū)，僅僅需要3～5站，每站測量時間約為20min，純測量時間在2個h以內(nèi)，考慮車程，一般一個上午就可以完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。而傳統(tǒng)GPS-RTK要完成等同范圍內(nèi)的現(xiàn)狀，以1+2模式RTK為例，需要3～5個工作日。三維激光掃描儀大幅提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，減輕了測量人員外業(yè)工作量。

（2）測量數(shù)據(jù)采集密度高，可靠性好。礦山開采過程中，受地形地質(zhì)、采剝工藝等要求，臨時邊坡、推進線等現(xiàn)狀存在不規(guī)整現(xiàn)象，現(xiàn)場臨時作業(yè)平臺、擋墻等安全設施，在三維激光掃描儀模式下，能夠?qū)嵕斑€原，測量數(shù)據(jù)密度高，點位平均密度高于0.1m，可靠性好。傳統(tǒng)測量方式一般選擇特征點，或者一般以10m的密度測量，點位代表性有限。

（3）自動化程度高。三維激光掃描儀在測量過程中，僅僅需要按天氣、溫濕度、大氣壓、數(shù)據(jù)獲取參數(shù)等，經(jīng)設站定向后，能夠自動完成數(shù)據(jù)采集，中間無需人工操作。對局部重點區(qū)域還可以加密掃描儀，進行人工干預測量。

（4）自帶線性相機，測量點實景著色。三維激光掃描儀帶有1.5億像素線性照相機，掃描數(shù)據(jù)能夠?qū)嵕爸?，便于?shù)據(jù)處理。測量過程中需要對地形地物進行編碼標記，而三維激光掃描儀不需要，可以利用超高像素照相機點位著色查看。根據(jù)點位顏色確定地形地物處理方式。

（5）三維立體建模。傳統(tǒng)測量均為二維數(shù)據(jù)處理，三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理上升為三維立體處理。數(shù)據(jù)具備立體感，直觀性較好。

（6）減少工作人員，降低人工成本。不管是傳統(tǒng)的全站儀還是GPS-RTK，在測量過程中，往往參與的測量人員較多，從技術角度上看，傳統(tǒng)方式測量人員一般為2～3人，而三維激光掃描儀僅需要1～2人即可完成作業(yè)，大大降低人工成本。

3.6.2 測量注意事項

三維激光掃描儀測量過程中主要需要注意以下幾點：

（1）三維激光掃描儀較重，三腳架不穩(wěn)情況下，不利于設備安全。

（2）三維激光掃描儀儀器附近100m以內(nèi)不能有棱鏡，容易造成設備激光發(fā)射器部分損壞。

（3）三維激光掃描儀測量距離較遠，后視點設置應不低于200m。

（4）三維激光掃描儀搬運過程中，盡量避免上下把手同時握住，容易損壞旋轉(zhuǎn)螺紋。

（5）三維激光掃描儀測量控制器不應距離設備10m，容易導致數(shù)據(jù)丟失。

（6）測量儀器高時，注意起算點，有正負之分。

（7）應根據(jù)實際天氣情況設置參數(shù)，天氣設置錯誤也是導致數(shù)據(jù)采集質(zhì)量差的原因之一。

4 結論

通過三維激光掃描儀與GPS-RTK對采區(qū)各平臺方量測算對比計算和分析，初步了解和掌握了三維激光掃描儀方量計算方法和程序。本次主要以西北-70平臺、西南-58平臺、北部-58平臺等3塊區(qū)域進行測算對比，計算分析后，測量結果均在允許范圍之內(nèi)，測量結果對比符合預期。

長測距三維激光掃描儀測量距離遠、測量自動化程度和測量精度高、測量結果時效性好，采用非接觸性測量模式，能夠?qū)崟r、快速的完成露天礦山采剝工程量的測量驗收，測量結果符合預期，對今后采用長距離三維激光掃描儀在礦山測量中應用具有較大的參考價值。