三維激光掃描技術在礦山地質測量中的應用

摘要：針對傳統測量方法中存在的消耗時間長、精度低、安全風險高等問題，探討了三維激光掃描技術在礦山地質測量中的應用。詳細介紹了三維激光掃描技術的原理和優勢，包括其高精度、高效率、安全性高等特點。對礦山地質點云三維重建模型進行了研究，提出了貪婪三角化曲面重構算法。通過實驗數據分析驗證了該方法的有效性與準確性。結果表明，三維激光掃描技術在礦山地質測量中具有廣泛的應用前景，能夠為礦山地質勘探提供更加準確、全面的地質數據支持。

關鍵詞：三維激光掃描技術；礦山地質測量；三維重建模型；貪婪三角化曲面重構算法礦山地質測量一直是礦山勘探和開采過程中非常重要的一環。對礦山地質進行準確、全面的測量，可以為礦山開采提供重要的依據和支持［1］。然而，傳統的地質測量方法在效率和精度上存在一定的局限性，且存在一定的安全風險。三維激光掃描技術作為一種新型的地質測量技術，具有不同于傳統方法的優勢和特點［2］。通過激光掃描儀器可以實現對礦山地質的全方位、立體化測量和建模，能夠獲取大量準確的地質數據，包括地表形貌、地下構造等。這種技術在實際應用中已經展現出了很大的潛力，能夠有效地提高礦山地質測量的效率和精度，降低安全風險。因此，本文旨在探討三維激光掃描技術在礦山地質測量中的應用，為礦山勘探和開采提供重要的技術支持。

1三維激光掃描技術分析

1.1技術原理

三維激光掃描技術是一種高精度的地面測量技術。其原理是利用激光器發射激光束，記錄激光束與地面的反射時間，通過測量激光束的飛行時間來確定地面點的位置。通過高速旋轉的激光器和接收器，可以實現對地面的全方位掃描，從而獲取地面上各個點的三維坐標信息。三維激光掃描技術的特點主要包括高精度、高效率和非接觸式測量。由于激光掃描儀的高頻率、高分辨率和快速數據采集能力，可以實現對目標物體的高精度測量，其測量精度可以達到亞厘米級甚至毫米級［3］。同時，激光掃描儀快速獲取數據的能力也使得測量效率大大提高，大大節省了測量時間和人力成本。此外，激光掃描技術是一種非接觸式測量方法，可以避免傳統測量方法中頻繁接觸測量對象可能造成的損壞或安全風險。其原理如圖1所示。

距離測量的技術主要為脈沖測距法。脈沖測距法是一種基于激光脈沖飛行時間來進行距離測量的技術。它通過發射單次激光脈沖，記錄激光反射回來的時間，測量光線傳播所需的時間差，并依據光速以納秒級的精度計算出激光在空間中的傳播距離［4］。

1.2技術特點

三維激光掃描技術具有以下技術特點：（1）高精度。三維激光掃描技術可以實現毫米級甚至亞毫米級的測量精度，可以精準獲取地質構造、巖層分布等信息，為地質測量和建模提供可靠的數據支撐。（2）全方位覆蓋。該技術可以實現對礦山地質的全方位、全角度的測量和建模，能夠獲取地下空間的全貌和細節信息，為地質勘探和開采提供全面的地質數據分析。（3）高密度。在進行作業時，可根據實際情況設置一定的采樣間隔，從而獲取滿足密度需求的點云數據［5］。

2礦山地質點云三維重建

2.1三維重建流程

掃描作業流程主要分為4個階段：（1）前期準備階段。主要的工作是進行現場踏勘，規劃掃描路線，選擇合理的位置，規劃大致的測站數量，初步確定參考標靶擺放位置等踏勘工作。（2）數據采集階段。按照計劃方案進行數據采集，在采集的過程中，若有不合理的地方要根據實際情況進行改正，需要增加或刪減測站并做好記錄，以保證后期數據處理工作的順利開展；前期的主要任務是對現場進行踏勘調查、查閱資料，為后續的方案設計做準備；后期利用專門的后處理軟件對原始數據進行處理。（3）數據處理階段。數據處理過程比較麻煩，工序多且耗時繁瑣，因為在掃描的過程中采集的點云數據量較大，所以對計算機的性能有一定的需求。（4）點云應用。在數據處理階段將處理好的數據進行后處理。點云的應用有很多方面，主要包括原始資料搜集、點云數據處理、三維建模、三維可視化、線畫圖繪制、虛擬可視化等［6］。

2.2貪婪三角化曲面重構算法

（1） 利用最小二乘算法（MLS）進行法線估計后的巷道點云重建：在實驗過程中，大量灰塵會沉積在巷道的內壁上，這些灰塵大多附著在巷道表面，使得表面內壁產生多余噪點，這些點分布較為雜亂，導致巷道內壁與其他盾構構件不平整，從而影響巷道模型的重建與修復。本文對精簡后的點云直接利用移動最小二乘法進行平滑處理，之后對平滑后的點云進行法線估計，形成一種有向點云類型數據，并將原始巷道點云內壁和移動最小二乘算法處理后的點云進行局部區域對比。

（2） 點云預處理及八叉樹優化：在前面利用改進的體素柵格精簡算法對數據進行處理后進行重建，分別設定體素柵格為5 cm、7 cm、9 cm。

（3） 重建效果對比：貪婪三角化重建的巷道表面處理后生成的三角形邊長，邊長的閾值大小會影響算法的重建效果，因此選取的SearchRadius參數尤為重要，選取局部的一段巷道對其進行對比實驗。

3實驗結果分析

經過三維表面重建后，對模型進行進一步分析。將原始的點云數據與最后的巷道模型生成轉換后的點云數據進行對比，對原始點云曲面重構生成的模型做三維偏差分析。通過對表1的數據分析可知，原始模型的最大偏差為-0.258 2～0.170 5 m，平均偏差為-0.002 4～0.003 4 m，標準偏差為0.010 2 m；重建生成后的模型的最大偏差在-0.082 7～0.045 4 m，標準偏差為-0.001 5～0.008 m，標準偏差為0.002 3 m。兩種重建算法后得到高程范圍大致都是分布在-0.6～0.6 m之間，差別不大；改進的重建算法對重建后模型統計的最近距離范圍在0.01～0.04 m區域平穩，說明了重建后的模型質量優于貪婪三角化重建算法。

4結論

旨在探討三維激光掃描技術在礦山地質測量中的應用，通過對其原理、技術特點和應用效果的深入分析，發現該技術在提高地質勘探效率、降低勘探成本、改善測量精度和準確性等方面具有重要意義，擁有廣闊的應用前景和發展空間。因此，對于推動礦山地質測量技術的創新和提高礦山地質勘探效率具有重要的現實意義和應用價值。

參考文獻：

［1］潘廷鳳，王楠，王衛東.三維激光掃描技術在礦山地質測量中的應用研究［J］.黑龍江環境通報，2024，37（6）：151153.

［2］畢波，孟濤.三維激光掃描技術在礦山巷道斷面測量中的應用［J］.大眾標準化，2024（9）：162164.

［3］王靈梅.三維激光掃描技術在礦山采空區測量中的應用分析［J］.世界有色金屬，2023（23）：127129.

［4］鄒江.三維激光掃描技術在礦山巷道斷面測量中的應用［J］.山西建筑，2023，49（20）：184187，198.

［5］劉章強.三維激光掃描技術在礦山測量中運用分析［J］.內蒙古煤炭經濟，2022（23）：172174.

［6］朱蘭.三維激光掃描技術在礦山法隧道竣工測量中的應用［J］.中國市政工程，2022（3）：810，131132.