三維激光測量與傳統測量應用對比探討

張凡

（新疆哈巴河阿舍勒銅業股份有限公司哈巴河 836700）

1 引言

阿舍勒銅礦地處阿勒泰地區哈巴河縣，目前有大量采空區，且結構復雜，環境惡劣。非接觸式測量，可保證測量人員安全；測量效率高，精度高，操作簡便；設備能滿足井下濕度、溫度、粉塵等惡劣環境；軟件能滿足空區體積計算、自動提取空區頂底線、等高線自動提取、剖面線提供、基于模型進行填、挖方量計算、巖土工程分析、巷道噴漿支護驗收等。

2 三維激光測量技術介紹

三維激光掃描儀是利用激光測距原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據，三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”。相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破，因其采集速度快、高分辨率、高精度、非接觸式測量、自動化程度高等特點，作為測繪領域繼GPS 技術之后的又一次技術革命。該技術廣泛應用于礦業、建筑、考古等領域。

在礦業領域，通過海量點云數據經過三維重構，可以再現礦山開采現狀，例如露天采場、空區、巷道、溜井等。測量成果可快速生成礦山所需要的地形地貌、等高線、坡頂底線、填挖方量、空區、巷道、溜井模型等數據，這些數據還可以導入三維礦業軟件，結合礦山資源模型，可實現礦山生產精細化管理，為礦山安全生產提供保障，提高礦山技術管理水平。國內大型礦業公司，神華集團、中國黃金集團、山東黃金集團、云銅集團、紫金礦業（紫金山礦、烏拉特后旗紫金礦業）、西部礦業等均已利用三維激光掃描儀開展相應工作。

3 實際應用簡介

（1）地點：阿舍勒銅礦300-1903#采場。

（2）設備：澳大利亞MAPTEK 公司產品型號ISITESR3L。

（3）測量手段:支架式測量延伸桿式測量。

（4）應用流程：

1）操作簡單、輔助配件少（無須全站儀全程配合）；2）實用性強（人員可不進入危險區域測量）；3）掃描速度快（每站掃描時間2分鐘）；4）可適用阿舍勒井下惡劣環境；5）現場可清晰看出掃描情況；6）兩個人即可操作。

4 與傳統測繪技術的區別

目前礦業行業內，主要依賴RTK 和全站儀等傳統設備工作，傳統工作方式面臨一些問題：

（1）測量安全性問題：在地表以上，為了獲取到最真實數據，測量人員需要達到露天礦臺階邊緣、礦山爆堆、生產料堆之上進行測量。在地表以下，特別是礦山采空區及巷道測量，人員需要深入內部進行測量，否則無法測出真實數據。這些測量地點都比較危險，存在很大的測量安全隱患；

（2）測量效率問題：傳統測量方式，不論地表還是地下，都需要測量人員一個點一個點進行單點測量，點與點之間的移動全靠人員跑動，測量人員不僅十分辛苦，而且測量效率低下，一個礦山的驗收測量，動輒就要一周至兩周多才能完成；

（3）測量質量問題：測量現場的跑點，全部根據測量人員個人經驗進行，而且點間距動輒幾米距離，還有許多地方測量人員根本無法到達，導致礦山或工廠的測量點相對稀疏，稀疏的測量點計算的形變、面積、體積等準確度不夠，測量質量有待提高；

（4）測量人性化問題：在烈日酷暑和天寒地凍的情況下，測量人員均需暴露在室外進行工作，測量環境異常艱苦。

以上問題，在礦用三維激光掃描儀中可以得到很好的解決，傳統測量與三維激光掃描儀測量具體對比如下表。

5 探討

當前阿舍勒銅業礦山管理者，希望基于“智慧礦山空間數據采集及應用系統”建設，實現地下井巷工程三維可視化、采掘（剝）量驗收精確化、驗收數據獲取快速化，開挖質量分析自動化、巖土工程分析智能化、數據交互協同化，生產管理與決策科學化，達到優化利用礦產資源，保證礦山生產經營安全、高效的目的。在此種背景下，通過高新技術的測量手段，獲取空間三維形態，并完成礦山采掘量驗收，解決傳統測量手段存在的問題，提升阿舍勒銅業在礦山采掘量驗收、施工質量控制方面的科學化、現代化水平，加快企業體制創新、管理創新和技術創新，助力集團權屬礦山邁上新臺階，已經非常必要。

表1 傳統測量儀器與三維激光掃描儀對比

6 結束語

三維激光測量與傳統測量相比具有如下一些特點：

（1）非接觸測量

三維激光測量采用非接觸式激光測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數據，所采集的數據完全真實可靠。可以用于解決危險目標、環境（或柔性目標）及人員難以企及的情況，具有傳統測量方式難以完成的技術優勢。

（2）數據采樣率高

目前，采用脈沖式激光測量采樣，點速率可達到二十萬點/秒，可見采樣速率是傳統測量方式難以比擬的。

（3）主動發射掃描光源

三維激光掃描技術采用主動發射掃描光源（激光），通過探測自身發射的激光回波信號來獲取目標物體的數據信息，因此在掃描過程中,可以實現不受掃描環境的時間和空間的約束。

（4）高分辨率、高精度

三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取海量點云數據，可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率的目的。

（5）數字化采集兼容性好

三維激光掃描技術所采集的數據是直接獲取的數字信號，具有全數字特征，易于后期處理及輸出。

（6）結構緊湊、防護能力強，適合井下惡劣環境使用。

（7）有后方交會功能，不需要全站儀輔助，減輕技術人員勞動力。掃描設備具有體積小、重量輕、防水、防潮，對使用條件要求不高，環境適應能力強，適于井下使用。