三維激光掃描的露天礦山儲量動態監測系統設計

張軍偉

（甘肅省地質礦產勘查開發局水文地質工程地質勘察院，甘肅 張掖 734000）

礦山儲量動態監測過程中，一般通過外業測量，也就是通過利用測量設備對數據信息進行收集，也可使用內業測量，也就是SD法獲取數據，根據數據信息對礦山儲量進行全面考量。測量人員通過采用測量儀器，對礦山儲量檢測時，需要按點進行全面采集，但是所采集的效率相對較低，而內業測量分析工作較為繁瑣，難以快速完成礦山資源儲量檢測[1]。不過在使用三維激光掃描技術的過程中，可有效解決外業測量與內業測量所存在的問題，同時可構建良好的動態檢測系統，實現露天礦山儲量動態監測。

1 三維激光掃描技術的應用

三維激光掃描儀在使用過程中，可快速獲取測繪目標的三維影像數據信息，測繪人員可突破傳統測繪方式，全面做好數據挖掘工作與數據開發工作。三維激光掃描儀具備精確度高、速度快等特點，可測量大范圍的內務，同時也能對物體的局部信息進行全面掌握。

通過對三維激光掃描技術的有效運用，可提高對礦山儲量動態監測效率，提升動態監測的整體精密度。在不同的區域中進行測量時，應當依據測區實際情況，配合GPS技術，落實好導線控制點測量工作[2]。在導線控制點中，架設測量儀器的過程中可進行全面掃描，但是在不同位置架設測量儀器的過程中，需要掃描公共標靶，實現站點之間的拼接配準，實現整體聯測。在使用三維激光掃描儀的過程中，掃描速率可達到10000點/s，最高可達到1000000點/s，在一個小時內，完成數十萬平方千米的運輸局采集，能全面提高數據采集效率。

三維激光掃描儀在露天礦山儲量應用中，可確保礦體取樣的準確性，同時也可對礦體質量進行全面評定，實現礦體結果勘探預測，同時對礦山各項數據信息進行采集，根據數據信息繪制云圖，實現全面管理。

2 露天礦山掃描及精度分析

2.1 外業掃描

（1）掃描儀器與數據處理軟件。在實驗的過程中，所使用的三維激光掃描儀器的掃描速率超出了100000點/s，在數據信息全面收集的過程中，需要控制好點位密度。確保每一個點位測量達到標準，從而滿足項目需求。在點位測量中，測量精度控制在2mm以為，掃描距離在超出300m后，則可根據測量數據信息，進行云數據分析。

（2）掃描方法與作業流程。在試驗的過程中，通過采三維激光掃描儀對標靶信息進行采集時，一般標靶為2.5英寸的圓形標靶，銅鎖對礦區的所屬區域與施工進行全面控制的過程中，可掃描4個測站點，確保測站點間距控制在200m左右后，將3個標靶作為選擇測站試點[3]。

2.2 數據處理

（1）點云數據拼接。通過采用外業掃描所獲取的信息，需要利用IGGIII方案，結合Cyclone軟件的標靶憑借功能，實現云數據憑借。在多種掃描測站中，第一站為基準點，其余的測站點需要以基準點為主，對后視標靶收集坐標信息進行全面收集完成拼接，在拼接技術后，需對云數據進行轉換，滿足測量坐標系統需求。

（2）加權總體最小二乘基本原理。加權總體最小二乘球面擬合的EIV模型為：

在EIV模型中，其中Y屬于含偶然誤差eY的n×1維觀測向量，A則為含偶然誤差EA的n×4維系數矩陣，X為待求球面參數：

（3）權函數選取。由于測量點云數據信息很容易受到外界因素影響，造成數據不準確，考慮IGGIII方案在使用的過程中，可有效提高測繪效果，所以在本次研究中，采用IGGIII方案對云數據信息進行計算，對所存在的擬合全陣進行全面調整，權因子計算公式如下所示。

在工事中，Vi屬于殘差，σ屬于誤差，k0、k1則屬于閾值，通過中誤差分布概率對其進行分析的過程中，k0值在1～1.5之間，k1值則在2.5～3之間，ω為權因子。根據IGGIII方案，假設k0值為1.5，k1值為2.5，那么觀測值Vi＜σ，如果權因子不發生任何變化，觀測值則為粗差，可忽略不計。

3 三維激光掃描的露天礦山儲量動態監測系統設計

三維激光掃描在露天礦山儲量動態檢測系統中，可對礦山內部的資源數量全面掌握，系統在設計的過程中，主要以三維激光掃描硬件系統組成，主要就是為實現露天礦山儲量資源的真實云數據功能，在系統設計中，利用了三維激光掃描儀、580線紅外固定鏡頭防水攝像機與DELLM6800工作站。同時還結合使用了后處理軟件系統，通過掃描得到三維點云數據，以此來進行建模計算，實現數據遠程傳輸、數據監管等功能。

3.1 三維激光掃描系統硬件設計

三維激光掃描儀硬件設計中，主要包括對水平吊證單元、數據采集單元以及中央控制單元等。系統電源額定電壓為220v，通過采用無線網絡讓上位機軟件控制三維激光掃描儀，對礦山地區進行360°無死角旋轉勘測，同時對礦山資源進行全面掌握，該過程無需采用云數據拼接。采用安全激光進行掃描，激光波長需要控制在900nm左右，避免對礦山工作人員與礦山資源造成影響，掃描半徑范圍可達到100m左右，三維激光掃描工作在實施的過程中，可對露天礦山儲量數據信息進行獲取，同時處理數據信息，實現數據建模。在后期處理中，需要通過三維建模數據處理獲取真實準確的數據信息，以此確保三維激光掃描系統構建質量。通過脈沖測距，可利用三維空間，獲取露天礦山實地場景。不過使用三維激光掃描的過程中，需要全面控制好激光傳播時間，確保掃描點距離，距離值為Sp，每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值為?，縱向掃描角度觀測值為ω，利用以上三維數據信息構建三維坐標系，同時在使用掃描儀的過程中，可對儀器內部坐標系統進行全面分析，同時對掃描內部坐標系統進行具體分析，從而獲取三維激光坐標點計算公式：

3.2 三維激光掃描控制系統設計功能

三維激光掃描儀控制系統設計主要以系統參數為主，在云數據采集的過程中，需要控制好數據信息顯示，保障數據信息儲存等，系統在全面開發的過程中，合理運用Java語言開發程序，在計算機系統控制中，確保執行效率。露天礦山儲量動態監測系統功能的實現主要以軟件功能設計為主，其中包含了掃描儀控控制設計及預留接口設計兩部位，掃描儀控制設計主要包含了連續性掃描控制、掃描速度控制、掃描儀歸零控制、數據傳輸與云數據處理等功能。

3.3 維激光掃描動態監測系統運行設計

三維激光掃描儀動態監測系統工作運行的過程中，其運行方式包含了以下幾方面。①需要通過儀器連接，設置IP地址，隨后通過利用無線網絡，連接掃描儀，點擊掃描按鈕，即可自動對露天礦山儲量進行全面監測。②三維激光掃描儀器在使用的過程中，參數初始自動歸零，確保儀器初始數據為零，測量工作人員在控制過程中，需要在每一次使用掃描系統的過程中，確保系統重新歸置，提高三維激光掃描儀器數據信息收集的精確度。③設置電機轉速。在系統運行的過程中，運動控制包含了速度、位移兩種模式。系統在對礦山儲量進行檢測過程中，一般會默認為速度模式，在速度模式下，需要制作數據編輯框，在數據框中加入相應的速度值，從而工作人員可制動點擊速度按鈕，系統運行過程中，即可根據速度模式進行移動。在系統速度設置框中填入合適的速度數值，然后點擊設置速度按鈕，電機即進入以速度模式進行移動。在位移模式下，需要在系統位移設置框中，填入相應的位移數據，從而讓三維激光掃描儀進入位移模式，對露天礦山儲量進行系統研究。④數據傳輸與存儲。在系統運行設計過程中，需要通過利用計算機控制中心軟件構建數據庫，對掃描數據信息進行儲存，同時在設置數據信息文件過程中，對文件信息進行傳輸，確保接收儀器在自動接收數據信息后，可自動將信息錄入文件，并上傳到數據庫中。同時相關工作人員需要對數據路進行更新。⑤數據文件轉換，在對所保存的原始數據信息進行掃描后，需要處理文件，從而生成云數據文本文件，利用數據瀏覽工具對文化信息進行轉換。

4 結語

在三維激光掃描儀器的作用下，通過設計露天礦山儲量監測系統，可及時對礦山資源進行全面掌握，同時根據礦山儲量情況，設計安全可靠的技術方案，節省大量的人力資源與物理資源。此外，在三維激光掃描儀器的應用下，所獲取的數據信息更加精確，可通過三維加墨為工作人員提供更加直觀的數據信息。