三維激光掃描技術在礦山測量中的應用研究

朱冰

（安徽馬鋼礦業資源集團桃沖礦業有限公司，安徽馬鞍山 241233）

0 引言

礦山是我國國土資源的重要組成部分。礦山的開采與我國經濟的發展、生態環境的保護有著密切的關系。隨著近年來我國測量技術的飛速發展，三維激光掃描技術已經成為輔助礦山測量的重要技術。三維激光掃描技術的應用推動了礦山地面測量、井下測量等工作的有效落實，是推動礦山開采產業升級、轉型的重要技術。本文主要探究了三維激光掃描技術在礦山測量中的應用，具體內容如下。

1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術是一種由掃描儀發射激光束，利用激光束對待測對象進行掃描、處理，并與其他設備相配合，根據時間差，測量掃描設備與待測設備之間距離等數據的技術[1]。三維激光掃描技術有著持續性強、全面性廣兩大特點，其能夠幫助測量人員獲取待測目標的空間信息數據，幫助測量人員構建被測目標的三維虛擬模型。

三維激光掃描儀通過分析發出激光信號到接收到來自被測目標表面的時間差，可以計算出自身與待測目標的直線距離S。再利用儀器內部的測量計算系統，獲取激光的橫向掃描角度、縱向掃描角度的觀測值α、φ[2]。三維激光掃描儀在工作過程中，會根據收集到的點云數據，自動生成局部坐標系。這個局部坐標系以激光掃描儀的所處位置為原點，將掃描儀內部坐標系統的水平面設定為X、Y軸，將垂直方向設置為Z軸[3]。下見圖1，這樣便能夠根據測量的數據，計算出目標點的相對坐標值。計算公式如下。

圖1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術有著諸多優勢，具體如下。

（1）數據采樣率高。常規的脈沖掃描儀測量速度已經能夠達到5萬點/s，相位式掃描儀甚至能達到120萬點/s，這也反應了三維激光掃描技術強大的物體空間信息全方位采集能力[4]。

（2）環境適應性強。大多數測繪技術都需要利用無線傳輸的方式傳輸數據，這種方式很容易受到環境因素的影響。二三維激光掃描技術可以有效的避免信號丟失等問題。

（3）立體性強。傳統的測繪技術只能獲取平面二維的測繪數據，需要多種地面測繪方式結合才能獲取立體三維的測繪數據。而三維激光掃描技術可以直接獲取待測物體的三維測繪數據，立體性極強。

隨著近年來三維激光掃描技術的發展與進步，三維激光掃描技術已經能夠實現大面積掃描、分辨率提升、快速掃描等功能。利用激光對被測目標的表面進行掃射，能夠在沒有反射棱鏡的情況下，獲取較高精度的測量結果。測量人員也能夠根據測量結果，利用點云數據，再現被測目標的三維模型。將三維激光掃描技術應用于礦山測量中，能夠有效提升礦山測量的精度與效率，是保障安全開采的重要技術。

2 礦山測量中存在的問題

隨著我國經濟的飛速發展，我國工業生產對于礦產資源的需求量也變得越來越高，而礦產資源的總量卻在不斷減少。礦山開采由地面區域和地下區域兩部分組成，地面區域包括廢石場、礦石、簡易公路、建筑物等設施；而地下區域經過長期的開采，存在著許多采空區。采空區非常容易出現塌陷，導致地表受到影響，引發地表開裂、塌陷等問題，對我國的地表生態環境造成嚴重的破壞。塌陷還會導致礦山地下區域的空氣氣壓被壓縮，引發沖擊波，對井下設備設施造成嚴重的影響，對井下工作人員產生很大的威脅。在降雨量較高的礦區，采空區內還有可能出現積水現象，進一步加大了采區塌陷事故的發生概率，對礦區環境造成更加嚴重的破壞。總體而言，隨著礦山開采時間的延長，礦山安全生產存在的問題也將變得越來越多。

3 三維激光掃描技術在礦山測量中的應用

3.1 三維激光掃描技術在礦山地下區域的應用

3.1.1 三維激光掃描技術在礦山地下區域的具體應用

三維激光掃描技術在應用于礦山地下區域時，更多地被應用于地下采空區的測量中。經過長期的開采，礦山的地下區域出現了許多復雜的空間，這些空間具有形狀不規則性和不穩定性，會對井下作業人員的生命與財產安全造成巨大的威脅。因此，需要采用三維激光掃描等先進的技術對地下采空區進行測量，了解地下采空區的實際情況，為后續礦區的開采提供數據支撐。

（1）三維激光掃描數據采集、反饋、智能控制技術的應用。在井下應用三維激光掃描技術時，大多會采用井下無人機掛載的方式進行應用。因為井下沒有GPS信號，因此要想操作井下無人機進行三維激光掃描數據的采集，只能利用IMU系統進行控制。IMU系統能夠實現飛行速度、設備狀態等參數的有效控制，使井下無人機能夠保持高精度慣性飛行狀態[5]。

（2）三維激光掃描自主避障技術的應用。在礦山的地下區域，受到種種因素的限制，傳統測量難以發揮其應有的作用，無法滿足生產的需求。因此井下無人機的應用是必不可少的，當井下無人機運作時，可以利用三維激光掃描儀的激光測距技術，實現自主避障。這種避障方式有著精度高、速度快等特點。在形狀簡單、規則的區域有著較好的應用效果。但是在形狀無規則、突發障礙多的區域中應用效果較差。因此，在井下無人機執行飛行任務時，還需根據井下采空區的實際情況，由無人機操作者手動完成復雜區域的測量工作。

（3）三維激光掃描數據傳輸技術的應用。在礦山地下區域，無人機無法接收到GPS信號，三維激光掃描儀無法對信息進行驗證，存在著數據傳輸不穩定等問題。因此，為了確保礦山地下區域點云數據采集的有效性，確保三維激光掃描儀在井下采空區等復雜環境內能夠長時間運作，必須重視三維激光掃描數據傳輸技術的應用，及時更新相應技術。

3.1.2 三維激光掃描技術在礦山地下區域的應用流程

（1）對礦山地下區域布設控制網。在應用三維激光掃描儀時，要以掃描儀為中心，建立獨立坐標系。再在地下礦區引入坐標控制點，以坐標控制點的形式將待測采空區引入，之后的每一站掃描都可以在真實坐標的基礎上進行測量（借助公共標靶），從而實現點云數據的統一。因此，在布設地下礦區控制網時，要利用全站儀的廣電測距導線功能，在待測采空區內合理布設控制點。

（2）開展三維激光掃描處理。利用三維激光掃描設備，對地下待測采空區進行分站掃描。在每一站布設3個標靶，在開展掃描工作的同時，對每一站的3標靶進行掃描與測量，與標靶的幾何中心進行擬合[6]。利用3個標靶的數據獨立性坐標系統，構建相對性空間關系；利用全站儀測量標靶的幾何中心坐標，使3個標靶所在位置的坐標系統也具備相對性空間關系。在后續進行內業數據處理時，能夠將3標靶的幾何中心作為公共點，輔助點云拼接。這種掃描方式既可以建立各個站點的獨立性坐標系統，也可以構建能夠進行憑借的地方性坐標系統，實現系統內的轉換。圖2為采空區的點云數據，AA、BB、CC為標靶的幾何中心。

圖2 采空區的點云數據

（3）內業數據處理。地下礦區三維激光掃描技術的內業數據處理包括了點云數據的拼接、數據抽稀、數據虛擬測量、構建三維化實體模型、斷面數據提取等內容。首先利用Cyclone軟件分析掃描儀數據，再對數據進行拼接處理，根據步驟（2）中的標靶坐標，對點云數據進行拼接，誤差控制在2mm以內。因為點云數據的數據量很大，因此要對點云數據進行抽稀，抽稀的方法可以選擇Maplex、Sub Points、Subset等方式，在保障點云數據精度的基礎上，提升點云數據的處理速度。最后利用Cyclone、3Dmine等軟件生成三維化實體模型即可。

3.2 三維激光掃描技術在礦山地上區域的具體應用

礦山邊坡地形監測是三維激光掃描技術在礦山地上區域的應用途徑之一。三維激光掃描技術的應用流程與地下礦區的應用流程大致相同。

（1）外業數據采集。在礦山邊坡的上、中、下等位置建設分站，再在每一個分站進行數據掃描。要注意的是，在獲取數據信息時，不能直接用三維激光獲取數據信息，要提前做好數據的預處理工作，清除掉其中有誤差的數據，為后續DEM模型的可靠性與準確性提供保障。

（2）內業數據處理。三維激光掃描技術應用于礦山邊坡變形監測時，其最終目的是為了生成坡體DEM模型。首先，要對點云數據進行匹配。利用標志點匹配法轉換點云坐標為大地坐標系。然后對點云標志點進行動態匹配。將基準設為坡體第一幅點云，使其能夠與第二幅點云的標志點相匹配。在將處理后的數據利用區域數據匹配法引入到數據層內，根據實際情況修改數據層，確保數據層的最優狀態。然后再根據各個分站的位置，設置點云坐標。在進行點云的絕對定位與拼接。為保障在同一坐標系中，呈現各個分站的點云坐標，要對點云數據進行拼接。ICP算法、標定物拼接是兩種常見的點云拼接方法。應根據實際情況選擇合適的拼接方法進行拼接。最后，再利用Cyclone等軟件生成坡體的DEM模型。根據數據的應用方向，導出IMP等格式[7]。對礦山邊坡的變形情況進行檢測，分析礦山邊坡的變化程度。

4 結語

綜上所述，本文首先闡述了三維激光掃描技術的內容與原理，其次分析了現階段礦山開采存在的問題，在此基礎上探究了三維激光掃描技術在礦山測量中的具體應用。在地下礦區的測量中，本文以地下采空區測量為例，對三維激光掃描技術的應用進行了討論；在地上礦區的測量中，本文以礦山邊坡變形監測為例，對三維技術掃描技術的應用進行了討論?？偟膩碚f，三維激光掃描技術應用在礦山測量的不同領域時，其大致的應用流程是相同的。工作人員在實際開展礦山測量工作時，應該根據測量工作的具體內容，對三維激光掃描技術進行適當的改進與調整。與實際相結合，合理的應用三維激光掃描技術，才能夠推動礦山測量質量與效率的提升，推動我國礦山開采行業的健康可持續發展。