三維激光掃描技術在礦山邊坡監測中的應用

張 雪

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局二總隊，貴州 六盤水 553000）

礦產資源的開發與利用是社會經濟發展和基礎建設不可獲取的原材料之一，隨著科學技術的發展，其需求總量和礦產資源類型逐漸發生變化[1]。

現階段，隨著地表礦產資源的利用殆盡，逐漸向深部推進，導致礦產資源的開發難度逐漸增加，進而造成一定的安全事故[2]。雖然我國相關部門加大力度督導，同時礦山企業對安全生產極為重視，但仍不可避免的出現了一定的安全事故。因此，這就要求對礦山形變監測提出了更高的要求。常見的邊坡監測技術方法較多，如GPS、InSAR、GNSS、三維激光掃描技術、CORS等[3-5]。

由于研究區地形地貌變化較大，導致采用InSAR、GNSS、CORS等技術過程中所采集的數據誤差相對較大，進而引起監測精度的降低[4]。同時，三維激光掃描技術具有干擾因素少、精度快和測量快等優勢，故本文選擇該方法在某金屬礦山開采邊坡監測中應用，為進一步研究該開采邊坡的形變規律提供參考。

1 三維激光掃描技術基本原理

三維激光掃描技術是現代會新型測繪技術的代表之一，是以三維激光掃描儀為基礎發展起來的，集成了掃描系統、激光測距系統、內部校正以控制系統、CCD系統等[6]。三維激光掃描技術中最為重要的就是激光測距系統，包括激光脈沖測距、相位干涉法測距以及三角法測距等方法類型。其中，最為常用的方法是激光脈沖測距法。

激光脈沖測距是三維掃描測量技術中最為常用的一種方法，具有測量速度快、精度高的優勢，其工作原理主要為：以三維激光掃描儀中的激光二級發射裝置發生具有周期性的激光脈沖信號，實現對待測量區域快速掃描目的，當發生的周期性脈沖信號接觸到被測區域內的地物時，就可通過地物表面產生反射信號，當掃描儀中的接收透鏡接收反射信號后，可根據周期性信號的發射與反射時間、路徑等計算出被測點的三維坐標，即通過三維激光掃描快速的獲取被測區域分布較均勻的點云數據[7]。

為了更直觀的表達該原理，將被測目標體記作P，將三維激光掃描儀的測量距離記作S，將掃描儀鏡頭在垂直方向的觀測角度記作θ，將水平方向上的觀測角記作α（圖1），則被測目標體P的三維坐標為P（X，Y，Z），其計算公式為：

圖1 激光脈沖測距基本原理示意圖

2 礦山邊坡主要監測內容

三維激光掃描技術在邊坡形變監測中具有較為廣泛的應用實例，并取得了較好的應用成效。將三維激光掃描技術應用于礦山形變監測中，其原理一致，主要監測內容可分為以下幾個方面。

2.1 邊坡坡度的計算

礦山開采邊坡坡度是影響邊坡穩定性的主要因素之一。因此，邊坡坡度的監測計算是形變監測中的重要內容，是評價該開采邊坡是否穩定的基礎。

為提高資源利用效率，礦山開采邊坡多以高度角為主，且以臨空順層邊坡較為常見，容易引起邊坡失穩，進而造成邊坡滑坡、坍塌等現象[8]。三維激光掃描技術能夠較快速的獲取被測區域的點云數據，通過系列數據處理就可快速的獲取邊坡準確的坡度等數據，進而為邊坡穩定性分析提供依據。使用三維激光掃描技術獲取開采邊坡坡度的原理主要為：根據點云數據的坐標系統建立相應的參考平面，將邊坡中某一點的三維坐標中的Y至投影至該平面上，此時垂直方向的距離就是邊坡的高度H，坡度長L為不同兩個點之間的距離與H和參考面交點之間的距離，由此得出坡度為arctan(H/L)。

2.2 邊坡土石方量的計算

邊坡圖示方量的計算是評估開采邊坡失穩后誘發災害范圍的主要指標之一，也是編制治理方案的主要依據。因此，邊坡土石方量的計算是邊坡監測的重要目的之一。邊坡土石方量計算方面主要包括規則三角網格法和不規則三角網格法，前者對數據的要求較高，適用于邊坡形態較為規則的監測中，其精度較高；后者利用不規則的三角網格，能夠有效地提高不規則形開采邊坡的監測精度。故本文主要利用不規則三角網格法對開采邊坡的土石方量進行監測。使用該方法計算開采邊坡土石方量的主要步驟可分為：①根據三維掃描所獲的點云數據建立不規則的三角網格，即TIN網格；②以點云數據的坐標系統為基礎平臺建立相應的參考平面，進一步對位于參考平面之上的開挖體積進行計算，對于位于參考平面之下的體積進行填方計算；③將計算模型中的開挖體積與填方體積疊加，就可獲得相應的填方量和挖方量。

3 在礦山邊坡監測中的應用

3.1 點云數據獲取

研究區為一矽卡巖型銅鉛鋅多金屬礦床，早期開采方式以露采為主，形成了較大規模的開采邊坡。加之該區域降水量較大，導致部分邊坡失穩滑坡，對礦山安全生產造成了一定的威脅。

鑒于此，本文使用型號為VZ-400的Riegl三維激光掃描儀，對研究區進行掃描測量。根據測繪范圍以及邊坡分布特征，確定本次的掃描距離為100m，此時該設備的精度為2mm，理論精度可以達到預期要求。

同時，點云數據使用City Sence激光點云繪制軟件進行點云數據處理，進一步開展點云數據的拼接、去噪聲等處理，就可獲得能夠反映真實邊坡基本形態的邊坡點云數據（圖2）。

圖2 研究區邊坡云數據匹配圖

3.2 點云數據的處理

點云數據的處理是提高監測精度的基礎，也是降低干擾因素的主要途徑[9]。點云數據的處理主要包括點云數據的配準、點云數據拼接以及點云數據去噪處理等流程，因此，總體上點云數據的處理流程主要包括：

（1）點云數據的配準和拼接是基礎，由于研究區為一矽卡巖型銅多金屬礦床，且礦區地形地貌變化較大，導致邊坡形態較為不規則，故在開展三維激光掃描獲取點云數據過程中需要進行多次掃描，才能獲得較高精度的測量數據，即在掃描過程中應需要多個站點進行掃描，此時就造成了點云數據的坐標不統一，需要進行配準[10]。在點云數據配準過程中，主要利用了相鄰兩個站點之間的3個或者以上的同名控制標靶進行點云數據的配準，可將不同站點的點云數據統一至相同坐標系統下，即點云數據的配準與拼接。

（2）去噪處理。使用三維激光掃描技術獲取點云數據的基本原理中，利用了發射信號與反射信號的時間差，此時包含了大量的冗余數據，主要包括樹木、植被、行人、建筑物、車輛等，故需要將上述冗余數據剔除，才能夠獲得更精確的點云數據。點云數據的去噪處理可借助City Sence激光點云繪制軟件，通過點云數據分類，將飛點等剔除，就可獲得較高精度的點云數據。在完成上述操作的基礎上，就可獲得更加貼合實際的邊坡點云數據，再經過相應的數據處理，可獲得邊坡土石方量、邊坡坡度以及邊坡形變特征等。

3.3 邊坡土石方量計算

本次采用City Sence激光點云繪制軟件對研究的邊坡土石方量進行計算，同時，為了對比研究該方面在土石方量計算過程中的精度問題，本次采用兩種不同的方法進行對比，即機載掃描點云體積和靜態掃描點云體積方法，其計算結果見表1。

表1 不同方法的邊坡土石方量計算統計表

由表1計算結果可知：本次使用動態掃描點云體積法所獲得的最小開采高程為30.72m，最大開采高程為66.52m，按照統一的參考平面高程30.00m計算，最終獲得填挖方體積為80167.96m3，此時堆積面積可達7552.62m2，堆積長度為96.90m，堆積寬度為81.52m；使用靜態掃描點云體積法所獲得的最小開采高程為30.67m，最大開采高程為64.19m，按照統一的參考平面高程30.00m計算，最終獲得填挖方體積為86427.67m3，此時堆積面積可達7952.33m2，堆積長度為96.10m，堆積寬度為85.51m。同時，本次試驗不同方法所獲數據的誤差介于-3.64%～7.24%之間，均小于10%，在誤差允許范圍內。

綜上所述，使用三維激光掃描技術能夠較快速的獲取礦山開采邊坡監測結果，且精度較高，具有較好的推廣使用潛力。

3.4 邊坡形變監測分析

礦山開采邊坡坡度以及土石方量的模擬計算的最終目的是評價開采邊坡的穩定性，即礦山邊坡監測的最終目的是分析該邊坡失穩的概率以及造成的危害范圍等，是礦山安全生產的基礎。

此時，可以通過一定時間間隔內的或者一定周期內的三維激光掃描點云數據，通過相同的數據處理方法獲取邊坡坡度、土石方量等數據，就可獲得不同時段內的坡度變化量、高程變化量等數據，進一步得出邊坡失穩的運移方向等。

4 結語

綜上所述，本次使用三維激光掃描技術在復雜礦山邊坡監測中取得了較好的成效，與傳統的測量方法相比，該方面具有操作簡單、外業工作量、數據處理快和精度高的優勢；與InSAR、GNSS、CORS等測量方法相比，具有受測繪環境影響因素小的優勢。

因此，在礦山邊坡監測中具有較好的應用前景。此外，隨著技術的快速發展，三維激光掃描技術中存在的數據處理等問題可得到較大的改善，如噪聲剔除質量等，對提升測量精度意義重大。