王 群

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局326地質(zhì)隊，安徽 安慶 246003）

我國正處于快速發(fā)展時期，對于礦山的開采和測量也將面臨新的機遇。礦山測量包括地面測量和地下測量。礦山測量的任務(wù)是建立地形控制網(wǎng)絡(luò)，并繪制礦山地形圖，測量礦山的地面連接，實現(xiàn)礦場及各種工程的施工控制和測量等。隨著科技的發(fā)展和礦山的建設(shè)要求，傳統(tǒng)的礦山測量已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)建設(shè)需求。因此，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山測量中，使礦山測量工作更先進精確，在礦山開發(fā)建設(shè)中具有一定的推廣應(yīng)用意義。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)是利用激光信號檢測物體，向檢測區(qū)域發(fā)送信號，根據(jù)信號的旋轉(zhuǎn)計算距離，準(zhǔn)確記錄坐標(biāo)的對象。將掃描得到的數(shù)據(jù)計算得到的離散云點組合成三軸坐標(biāo)，以此來確定物體的反射強度值。三維激光掃描系統(tǒng)屬于高精度測量范疇，根據(jù)三維值對被測區(qū)域進行三維建模得到數(shù)據(jù)，可以快速計算實體的空間狀態(tài)和變化。大多數(shù)傳統(tǒng)測量只能測量定點坐標(biāo)，在技術(shù)應(yīng)用中不能快速計算三維狀態(tài)。在礦山測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)可以實現(xiàn)對物體變化的監(jiān)測，使工程項目管理或施工可準(zhǔn)確檢測現(xiàn)場情況，將掃描獲得的數(shù)據(jù)傳輸至計算機和分析系統(tǒng)。隨著三維激光掃描技術(shù)設(shè)備的創(chuàng)新，可以將設(shè)備安裝在移動的車輛或飛機上，增加了激光測試距離。傳統(tǒng)的檢測方法，生成的點云數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。三維激光掃描技術(shù)可實現(xiàn)任意點，確保數(shù)據(jù)收集的質(zhì)量。三維激光掃描技術(shù)可直接掃描點云數(shù)據(jù)，無需接觸目標(biāo)物體，提高檢測的安全質(zhì)量。該技術(shù)應(yīng)用還可對大目標(biāo)進行采集數(shù)據(jù)，并且檢測準(zhǔn)確率極高，三維激光掃描數(shù)據(jù)更加直觀。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用特點及應(yīng)用優(yōu)勢

在礦山測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，具有精度高和測量全面等優(yōu)點。三維激光掃描技術(shù)脈沖掃描儀，采用高數(shù)據(jù)采樣頻率，測量速度較高，相位掃描儀速度達到120萬點/秒。測量速度突出單點模式，獲得更多區(qū)域的信息。并且該技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用受外界影響較小。在傳統(tǒng)的工程中，測量設(shè)備采用無線傳輸進行數(shù)據(jù)傳輸，容易受到天氣和外界的影響，無線傳輸也存在不穩(wěn)定性和信號延遲。三維激光掃描技術(shù)可防止信息傳輸延遲、傳輸丟失和信號干擾等。常規(guī)測量技術(shù)和衛(wèi)星測量得到的測量是二維平面，三維測量需要結(jié)合其他測量操作，存在效率低的情況，并且測量誤差率較高。在礦山測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，通過在初始階段識別目標(biāo)并測量相關(guān)數(shù)據(jù)，生成三維測量數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的后續(xù)演變趨勢的分析，針對性地提出處理措施，為后續(xù)實施提供技術(shù)支持。穩(wěn)定性是三維激光掃描技術(shù)的突出優(yōu)勢，技術(shù)以固定目標(biāo)為主要點，實現(xiàn)對區(qū)域的測量，從而形成完整測量圖像。三維激光掃描技術(shù)可在短時間內(nèi)獲取三維點云數(shù)據(jù)，提高了工程測量工作效率。利用全站儀的定位，從絕對坐標(biāo)下的點云中采集數(shù)據(jù)，然后利用該點云，通過軟件添加數(shù)據(jù)，可在測量的同時接收來自點云的數(shù)據(jù)。應(yīng)用地圖獲取真實模型，可通過PC端完成所有任務(wù)。生成的點云數(shù)據(jù)可以與仿真軟件很好的對接，為數(shù)字化挖掘和管理提供數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確的斷面圖和開挖物理模型。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 礦山測量技術(shù)應(yīng)用分析

三維激光掃描技術(shù)是對空間中的物體進行全方位的掃描，以獲取準(zhǔn)確的區(qū)域或物體數(shù)據(jù)。在重建對象模型后創(chuàng)建掃描技術(shù)。通過非接觸式測量，快速實現(xiàn)自動檢測。與傳統(tǒng)測量相比，三維激光掃描可以具有更高的精度。該技術(shù)是通過對目標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析，并整合散點坐標(biāo)，以連接起來形成三維信息，實現(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)，并且真實性比較高。三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)采礦中的精準(zhǔn)管理，還可以通過查詢和分析來自礦山的信息，從礦山的3D模型中查詢數(shù)據(jù)。對模型進行分析，檢測到目標(biāo)隨著變化而移動，有利于保護礦工的安全。在礦山開采前，進行初步的測量，以準(zhǔn)確驗證測量位置。該技術(shù)是全球定位系統(tǒng)的形式之一，礦山測量中也是具有準(zhǔn)確的測量技術(shù)。礦山信息的測量是整個測量改進的重要任務(wù)之一，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，對信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行存儲和管理。相較于傳統(tǒng)礦山測量，有效的節(jié)省了測量工作量。

3.2 數(shù)據(jù)收集

在礦山測量三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中，需要通過從探測區(qū)域采集數(shù)據(jù)，掃描設(shè)備可以結(jié)合數(shù)字技術(shù)，將信息轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的圖像，提高圖像的分辨率和清晰度?？梢詼?zhǔn)確地掃描區(qū)域或物體，并根據(jù)掃描前的控制點從定義范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中收集信息。按照衛(wèi)星定位測量技術(shù)規(guī)范，利用高度共同點掃描儀器假設(shè)區(qū)域，將目標(biāo)獲得的點云數(shù)據(jù)組合，從而在計算機上創(chuàng)建點云圖像，并轉(zhuǎn)換為剖面和垂直剖面。利用全站儀對掃描得到的數(shù)據(jù)信息進行檢測，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 區(qū)域特征提取

在根據(jù)條件匯總點云數(shù)據(jù)生成結(jié)果時，可以直接從點云結(jié)果結(jié)合坐標(biāo)點的數(shù)據(jù)推斷，讓點云圖像有更多的信息。還可以按照設(shè)計公里數(shù)劃分點云，劃分區(qū)域。從每個現(xiàn)場收集點云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換分區(qū)結(jié)果。第二種方法雖然耗時，需要將區(qū)域分開，但可以保證檢測的準(zhǔn)確性。通過不同的區(qū)域，可以檢測數(shù)據(jù)的相似性。確定相鄰區(qū)域的位置，直到生成的數(shù)據(jù)相同。為了從測量區(qū)域提取特征值，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)掃描獨立的坐標(biāo)系。為了提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的效率，配置相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)，使用水平儀和全站儀創(chuàng)建坐標(biāo)系。將三維坐標(biāo)系與激光掃描數(shù)據(jù)進行對比，將同一區(qū)域的數(shù)據(jù)與坐標(biāo)進行對比，實現(xiàn)閉環(huán)控制的應(yīng)用優(yōu)勢。采取多地勘察模式，科學(xué)布置周邊控制點，確保不同的站點與目標(biāo)相連。明確無差異值后，將坐標(biāo)系輸入計算機，提供點云數(shù)據(jù)成像[1]。

3.4 井下和地面數(shù)據(jù)傳輸

在礦山井下無法接收來自地下的GPS信號，造成了缺乏信息驗證和傳輸不穩(wěn)定的情況，這需要三維激光掃描無人機在目標(biāo)區(qū)域運行，此過程安全高效運行是關(guān)鍵。因此，在數(shù)據(jù)傳輸中，地下信號受環(huán)境影響微弱，對于遠距離傳輸受限。采集到點云中的數(shù)據(jù)量較大。為確保復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，無人機能夠安全高效地運行，需要穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和智能設(shè)備技術(shù)。傳統(tǒng)的井下測量已不能滿足生產(chǎn)需要。使用無人機安裝的三維激光掃描儀，利用激光的距離來實現(xiàn)測量。面對凹凸不平的區(qū)域，如果突如其來的障礙使設(shè)備難以避開，容易發(fā)生碰撞。當(dāng)無法實現(xiàn)自主飛行時，依靠人員或無人機操作手動完成掃描儀操作。由于礦區(qū)空間限制，粉塵較大和視線較差，掃描檢測難度增加。因此，需要克服復(fù)雜地下環(huán)境下的無人機避障技術(shù)，提高設(shè)備使用的安全性，降低實際測量的操作難度。為了使三維激光掃描技術(shù)儀數(shù)據(jù)在地形測量中準(zhǔn)確性，需要在地面采用移動快速掃描，采用封閉路徑法。掃描前，將目標(biāo)球作為掃描控制點分布，方便下一步對點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換，將其精度與地圖地形進行比較。使用移動手持掃描根據(jù)規(guī)劃的路線掃描。掃描過程可以輕松完成。這種高工作效率消除了傳統(tǒng)測量的工作局限。掃描完成后，連接掃描儀驅(qū)動USB數(shù)據(jù)接口自動導(dǎo)出點云數(shù)據(jù)，使用專業(yè)軟件對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。將預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出到軟件進行處理，包括去噪、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、地形映射和圖形輸出等，直接生成3D模型。為了在測量地面地形時驗證掃描數(shù)據(jù)，三維激光掃描技術(shù)用于快速掃描和覆蓋區(qū)域。掃描1公里長的路線。在掃描前，目標(biāo)集合體作為控制點均勻分布，便于后期對數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換，與當(dāng)前地形圖進行對比。根據(jù)規(guī)劃的路線快速掃描，掃描可以由一人輕松完成。高工作效率消除了傳統(tǒng)測量的操作限制。掃描后直接在掃描儀數(shù)據(jù)傳輸中使用自動導(dǎo)出點云數(shù)據(jù)，使用專業(yè)軟件在對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。最后將處理的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出到軟件進行處理，包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點云分類和圖形輸出，直接生成三維模型[2]。

3.5 井下巷道掃描

礦井巷道施工是礦山生產(chǎn)前的重要工序，巷道施工對后續(xù)設(shè)計和爆破有著重要的影響。準(zhǔn)確測量和模型的創(chuàng)建是采礦設(shè)計的主要依據(jù)，也是礦山建設(shè)的業(yè)務(wù)需求。要想準(zhǔn)確的反映地下道路的情況，激光掃描技術(shù)是最好的選擇。三維激光掃描技術(shù)可以以高速的點云數(shù)據(jù)的掃描速度快速準(zhǔn)確地進行測量，包括巷道的細節(jié)都在變化。為測試三維激光掃描技術(shù)在礦井中掃描數(shù)據(jù)提供了準(zhǔn)確性和可靠性。工作流程類似于掃描地面，不同之處在于目標(biāo)的方式。井下所有測量控制點均布置在路頂，然后使用專業(yè)軟件進行預(yù)處理云數(shù)據(jù)、降噪、創(chuàng)建三角剖分和生成模型[3]。

3.6 礦山開采中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在礦山開采測量應(yīng)用中，需要使用脈沖三維激光掃描儀測量數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)以點云形式傳輸?shù)浇K端設(shè)備中，進行存儲。終端處理器可以用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點云數(shù)據(jù)，并通過去噪、透視和數(shù)據(jù)處理等步驟重建三維物體圖像。在這個過程中，利用三維激光掃描技術(shù)，有效的體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)在礦山測量工程中的應(yīng)用發(fā)展水平，實現(xiàn)了現(xiàn)代化技術(shù)與信息化的結(jié)合。降低了傳統(tǒng)礦山測量工程的開發(fā)應(yīng)用成本，而且提高了測量數(shù)據(jù)的實效性和精度。進一步推動礦山智能化開采和三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。點云數(shù)據(jù)處理是基于測量的三維坐標(biāo)，利用定位系統(tǒng)技術(shù)和掃描技術(shù)轉(zhuǎn)換為另一個坐標(biāo)。該技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了參數(shù)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的掃描技術(shù)測得的距離和角度受到限制。在地形復(fù)雜的礦山中三維激光掃描儀需要進行全方位多角度的進行掃描，以獲得與點云中相匹配的完整的空間信息。3D激光掃描技術(shù)在礦山開采測量中的應(yīng)用精度非常高，但操作者誤差、測量點誤差和點云算法的誤差等，都會直接影響測量點之間的點云中的數(shù)據(jù)。這些誤差的累積會導(dǎo)致測量邊緣三維坐標(biāo)較大的誤差。因此，在礦山開采測量工作中，需要對多點云數(shù)據(jù)進行詳細的驗證[4]。

3.7 三維激光掃描在采空區(qū)的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在不斷改進，在測繪勘探行業(yè)具有良好的研究價值。地下采區(qū)空空間較為復(fù)雜，形狀不規(guī)則，無GPS信號，無人機飛行中的信息采集與定位，自主無人機抗干擾、航線規(guī)劃和數(shù)據(jù)傳輸?shù)却嬖谝欢ǖ碾y度，無人機設(shè)備軟件運用更加復(fù)雜，智能控制相關(guān)技術(shù)運行中存在的難點。無人機上三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集和智能控制技術(shù)，無人機無法接收GPS信號，只能依靠制導(dǎo)系統(tǒng)來確定設(shè)備運行狀態(tài)，以獲得高精度飛行狀態(tài)和速度。在控制系統(tǒng)下，無人機無法對光束場大和深度大飛行進行自主檢測。因此，需要安裝3D激光掃描儀的抗干擾技術(shù)，傳統(tǒng)的礦井光束測量無法滿足需求。主要是使用無人機安裝的激光掃描儀來檢測光束。掃描儀使用激光范圍實現(xiàn)避免干擾，適用于簡單和規(guī)則的環(huán)境障礙。在地下不規(guī)則的情況下，突如的障礙物難以避免。如果無法實現(xiàn)自主飛行，則要由測量員或操作員手動執(zhí)行掃描儀操作。由于提取區(qū)域的面積有限，對于井下空采區(qū)空間的灰塵較大，在三維激光掃描中視野較差，掃描和檢測復(fù)雜性正在增加。因此，需要克服在地下環(huán)境惡劣的環(huán)境下自主避讓的技術(shù)，提高三維激光掃描設(shè)備的安全性，降低實際測量工作的難度。目前，無人機航路已在地面上成熟，但由于地下空采區(qū)復(fù)雜環(huán)境影響，無法完全自主規(guī)劃，這需要配備三維激光掃描儀。當(dāng)無人機在飛行中遇到障礙物，需要解決障礙物時，全局軌跡規(guī)劃使無人機難以控制，造成設(shè)備損壞，迫需要探索并討論路線規(guī)劃。井下激光掃描儀數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，但是無法接收GPS信號，缺乏有效的信息驗證，同時存在數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。因此，需要配備三維激光掃描儀的無人機在突出區(qū)域作業(yè)安全有效操作。在數(shù)據(jù)傳輸中，信號受環(huán)境影響較弱，傳輸有限。云數(shù)據(jù)點采集量很大，可以獨立安全地運行，并為研究實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，支持智能技術(shù)，以確保復(fù)雜環(huán)境下長距離數(shù)據(jù)傳輸。市場上的無人機視覺還不是很成熟。針對復(fù)雜的井下空采區(qū)環(huán)境，三維激光掃描技術(shù)采用空間位置方法、特征檢測方法、圖像差分算法和優(yōu)化算法等，可以有效的智能控制和實時感知環(huán)境。一旦三維激光掃描技術(shù)完全投入使用，必須配備3D激光掃描儀、光學(xué)傳感器、紅外攝像頭和電池，這會增加設(shè)備運行的重量。這對無人機使用壽命有巨大的影響，在運行中由于負載過大，運行存在一定的風(fēng)險因素。因此，為了減輕三維激光掃描儀無人機的負擔(dān)，必須解決技術(shù)運行中的負載問題。

4 某工程露天監(jiān)測三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

隨著國家對礦山安全的重視，礦山測量工作將不斷的向數(shù)字化發(fā)展。為順應(yīng)數(shù)字化測量應(yīng)用趨勢，某礦山露天開采中要完成采掘方量的結(jié)算、穩(wěn)定性分析及尾位移沉降監(jiān)測，并根據(jù)三維激光掃描技術(shù)，建立各區(qū)域模型。在每個測量站進行三維激光掃描，掃描通過遙測系統(tǒng)傳輸?shù)教幚碇行?。在處理中心，使用軟件讀取數(shù)據(jù)，選擇方式保存各站數(shù)據(jù)，得到坐標(biāo)點的云數(shù)據(jù)。使用軟件的過濾和縮小過濾掉不同數(shù)據(jù)重疊的區(qū)域。通過掃描對采集到的點云數(shù)據(jù)建模，創(chuàng)建露天礦模型。比較周期數(shù)據(jù)模式，得到測量周期的變化面積，使用體積計算功能計算開挖量。為了獲得區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)，使用掃描系統(tǒng)并與地形進行比較。如圖1所示，點云可以準(zhǔn)確地描述地形。巖土邊坡分析利用掃描系統(tǒng)獲取云數(shù)據(jù)，計算區(qū)域的反射率和紋理，使用巖土分析系統(tǒng)。顯示節(jié)點結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析，檢測結(jié)構(gòu)的弱平面。在監(jiān)測現(xiàn)場埋設(shè)監(jiān)測哨，在監(jiān)測哨上安裝掃描儀，嘗試連續(xù)掃描，并通過無線基站在系統(tǒng)之間安裝和連接無線基站網(wǎng)絡(luò)。在軟件中確定用于穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)警的區(qū)域。根據(jù)掃描儀采集的數(shù)據(jù)，自動繪制應(yīng)變和剪切曲線，創(chuàng)建剪切云的三維圖。如觀景期間天氣惡劣，應(yīng)提前更換掃描儀觀景。調(diào)整掃描儀的位置，使頭面向前窗。安裝避雷針和電網(wǎng)等電位接地裝置，構(gòu)建防雷系統(tǒng)。除了安裝氣象站外，還可以了解現(xiàn)場的天氣情況。垃圾填埋場監(jiān)測將掃描系統(tǒng)連接到軟件，通過軟件控制掃描儀采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，軟件自動清除植被。定義評估區(qū)域，將區(qū)域數(shù)據(jù)與設(shè)計進行比較分析，包括橫截面、輪廓交點、設(shè)計偏差、開挖偏差范圍和尺寸查詢等。軟件會自動生成關(guān)于施工和設(shè)計檢查結(jié)果報告。報告稱，結(jié)果不斷更新，并根據(jù)偏差進行調(diào)整。在礦山開采中，會挖出大量的土壤，對于開挖出來的土就變成了廢物。開采后廢物必須進行運輸。利用三維激光掃描技術(shù)進行測量，可以預(yù)測其數(shù)量。在測量時，三維激光掃描以土壤為測量目標(biāo)，隨著時間測量距離，完成對物體位置的確定。確保測量距離和數(shù)量采集，合理應(yīng)用點云中的數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)計算。測量采用三維激光掃描，以地面反射數(shù)據(jù)、脈沖信號為基本應(yīng)用測量條件，調(diào)整三維坐標(biāo)，結(jié)合三維圖像實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，計算出廢物量。結(jié)果可以準(zhǔn)確計算利用率，節(jié)省大量的計算時間和運輸成本，有效提高了整個項目的效率。

圖1 地形點云數(shù)據(jù)與實際對比

5 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用具有快速和精度高的優(yōu)點。三維激光掃描技術(shù)可以滿足對大面積地形圖勘察的需求，還可以進行采礦巷道的實物測量。因此，在礦山測量中的應(yīng)用，具有一定的推廣意義。