張軍偉

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000）

礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，一般通過(guò)外業(yè)測(cè)量，也就是通過(guò)利用測(cè)量設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，也可使用內(nèi)業(yè)測(cè)量，也就是SD法獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)礦山儲(chǔ)量進(jìn)行全面考量。測(cè)量人員通過(guò)采用測(cè)量?jī)x器，對(duì)礦山儲(chǔ)量檢測(cè)時(shí)，需要按點(diǎn)進(jìn)行全面采集，但是所采集的效率相對(duì)較低，而內(nèi)業(yè)測(cè)量分析工作較為繁瑣，難以快速完成礦山資源儲(chǔ)量檢測(cè)[1]。不過(guò)在使用三維激光掃描技術(shù)的過(guò)程中，可有效解決外業(yè)測(cè)量與內(nèi)業(yè)測(cè)量所存在的問(wèn)題，同時(shí)可構(gòu)建良好的動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維激光掃描儀在使用過(guò)程中，可快速獲取測(cè)繪目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)信息，測(cè)繪人員可突破傳統(tǒng)測(cè)繪方式，全面做好數(shù)據(jù)挖掘工作與數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)工作。三維激光掃描儀具備精確度高、速度快等特點(diǎn)，可測(cè)量大范圍的內(nèi)務(wù)，同時(shí)也能對(duì)物體的局部信息進(jìn)行全面掌握。

通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的有效運(yùn)用，可提高對(duì)礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效率，提升動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的整體精密度。在不同的區(qū)域中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，配合GPS技術(shù)，落實(shí)好導(dǎo)線控制點(diǎn)測(cè)量工作[2]。在導(dǎo)線控制點(diǎn)中，架設(shè)測(cè)量?jī)x器的過(guò)程中可進(jìn)行全面掃描，但是在不同位置架設(shè)測(cè)量?jī)x器的過(guò)程中，需要掃描公共標(biāo)靶，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)之間的拼接配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)測(cè)。在使用三維激光掃描儀的過(guò)程中，掃描速率可達(dá)到10000點(diǎn)/s，最高可達(dá)到1000000點(diǎn)/s，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，完成數(shù)十萬(wàn)平方千米的運(yùn)輸局采集，能全面提高數(shù)據(jù)采集效率。

三維激光掃描儀在露天礦山儲(chǔ)量應(yīng)用中，可確保礦體取樣的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可對(duì)礦體質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)定，實(shí)現(xiàn)礦體結(jié)果勘探預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)礦山各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，根據(jù)數(shù)據(jù)信息繪制云圖，實(shí)現(xiàn)全面管理。

2 露天礦山掃描及精度分析

2.1 外業(yè)掃描

（1）掃描儀器與數(shù)據(jù)處理軟件。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，所使用的三維激光掃描儀器的掃描速率超出了100000點(diǎn)/s，在數(shù)據(jù)信息全面收集的過(guò)程中，需要控制好點(diǎn)位密度。確保每一個(gè)點(diǎn)位測(cè)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足項(xiàng)目需求。在點(diǎn)位測(cè)量中，測(cè)量精度控制在2mm以為，掃描距離在超出300m后，則可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行云數(shù)據(jù)分析。

（2）掃描方法與作業(yè)流程。在試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)采三維激光掃描儀對(duì)標(biāo)靶信息進(jìn)行采集時(shí)，一般標(biāo)靶為2.5英寸的圓形標(biāo)靶，銅鎖對(duì)礦區(qū)的所屬區(qū)域與施工進(jìn)行全面控制的過(guò)程中，可掃描4個(gè)測(cè)站點(diǎn)，確保測(cè)站點(diǎn)間距控制在200m左右后，將3個(gè)標(biāo)靶作為選擇測(cè)站試點(diǎn)[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。通過(guò)采用外業(yè)掃描所獲取的信息，需要利用IGGIII方案，結(jié)合Cyclone軟件的標(biāo)靶憑借功能，實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)憑借。在多種掃描測(cè)站中，第一站為基準(zhǔn)點(diǎn)，其余的測(cè)站點(diǎn)需要以基準(zhǔn)點(diǎn)為主，對(duì)后視標(biāo)靶收集坐標(biāo)信息進(jìn)行全面收集完成拼接，在拼接技術(shù)后，需對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)需求。

（2）加權(quán)總體最小二乘基本原理。加權(quán)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(cè)向量，A則為含偶然誤差EA的n×4維系數(shù)矩陣，X為待求球面參數(shù)：

（3）權(quán)函數(shù)選取。由于測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息很容易受到外界因素影響，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，考慮IGGIII方案在使用的過(guò)程中，可有效提高測(cè)繪效果，所以在本次研究中，采用IGGIII方案對(duì)云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所存在的擬合全陣進(jìn)行全面調(diào)整，權(quán)因子計(jì)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(guò)中誤差分布概率對(duì)其進(jìn)行分析的過(guò)程中，k0值在1～1.5之間，k1值則在2.5～3之間，ω為權(quán)因子。根據(jù)IGGIII方案，假設(shè)k0值為1.5，k1值為2.5，那么觀測(cè)值Vi＜σ，如果權(quán)因子不發(fā)生任何變化，觀測(cè)值則為粗差，可忽略不計(jì)。

3 三維激光掃描的露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維激光掃描在露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中，可對(duì)礦山內(nèi)部的資源數(shù)量全面掌握，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要以三維激光掃描硬件系統(tǒng)組成，主要就是為實(shí)現(xiàn)露天礦山儲(chǔ)量資源的真實(shí)云數(shù)據(jù)功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用了三維激光掃描儀、580線紅外固定鏡頭防水?dāng)z像機(jī)與DELLM6800工作站。同時(shí)還結(jié)合使用了后處理軟件系統(tǒng)，通過(guò)掃描得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此來(lái)進(jìn)行建模計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)管等功能。

3.1 三維激光掃描系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

三維激光掃描儀硬件設(shè)計(jì)中，主要包括對(duì)水平吊證單元、數(shù)據(jù)采集單元以及中央控制單元等。系統(tǒng)電源額定電壓為220v，通過(guò)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)讓上位機(jī)軟件控制三維激光掃描儀，對(duì)礦山地區(qū)進(jìn)行360°無(wú)死角旋轉(zhuǎn)勘測(cè)，同時(shí)對(duì)礦山資源進(jìn)行全面掌握，該過(guò)程無(wú)需采用云數(shù)據(jù)拼接。采用安全激光進(jìn)行掃描，激光波長(zhǎng)需要控制在900nm左右，避免對(duì)礦山工作人員與礦山資源造成影響，掃描半徑范圍可達(dá)到100m左右，三維激光掃描工作在實(shí)施的過(guò)程中，可對(duì)露天礦山儲(chǔ)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，同時(shí)處理數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模。在后期處理中，需要通過(guò)三維建模數(shù)據(jù)處理獲取真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，以此確保三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)建質(zhì)量。通過(guò)脈沖測(cè)距，可利用三維空間，獲取露天礦山實(shí)地場(chǎng)景。不過(guò)使用三維激光掃描的過(guò)程中，需要全面控制好激光傳播時(shí)間，確保掃描點(diǎn)距離，距離值為Sp，每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值為?，縱向掃描角度觀測(cè)值為ω，利用以上三維數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維坐標(biāo)系，同時(shí)在使用掃描儀的過(guò)程中，可對(duì)儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，同時(shí)對(duì)掃描內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行具體分析，從而獲取三維激光坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算公式：

3.2 三維激光掃描控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

三維激光掃描儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以系統(tǒng)參數(shù)為主，在云數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，需要控制好數(shù)據(jù)信息顯示，保障數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存等，系統(tǒng)在全面開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，合理運(yùn)用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制中，確保執(zhí)行效率。露天礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要以軟件功能設(shè)計(jì)為主，其中包含了掃描儀控控制設(shè)計(jì)及預(yù)留接口設(shè)計(jì)兩部位，掃描儀控制設(shè)計(jì)主要包含了連續(xù)性掃描控制、掃描速度控制、掃描儀歸零控制、數(shù)據(jù)傳輸與云數(shù)據(jù)處理等功能。

3.3 維激光掃描動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

三維激光掃描儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作運(yùn)行的過(guò)程中，其運(yùn)行方式包含了以下幾方面。①需要通過(guò)儀器連接，設(shè)置IP地址，隨后通過(guò)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，連接掃描儀，點(diǎn)擊掃描按鈕，即可自動(dòng)對(duì)露天礦山儲(chǔ)量進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。②三維激光掃描儀器在使用的過(guò)程中，參數(shù)初始自動(dòng)歸零，確保儀器初始數(shù)據(jù)為零，測(cè)量工作人員在控制過(guò)程中，需要在每一次使用掃描系統(tǒng)的過(guò)程中，確保系統(tǒng)重新歸置，提高三維激光掃描儀器數(shù)據(jù)信息收集的精確度。③設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制包含了速度、位移兩種模式。系統(tǒng)在對(duì)礦山儲(chǔ)量進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，一般會(huì)默認(rèn)為速度模式，在速度模式下，需要制作數(shù)據(jù)編輯框，在數(shù)據(jù)框中加入相應(yīng)的速度值，從而工作人員可制動(dòng)點(diǎn)擊速度按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，即可根據(jù)速度模式進(jìn)行移動(dòng)。在系統(tǒng)速度設(shè)置框中填入合適的速度數(shù)值，然后點(diǎn)擊設(shè)置速度按鈕，電機(jī)即進(jìn)入以速度模式進(jìn)行移動(dòng)。在位移模式下，需要在系統(tǒng)位移設(shè)置框中，填入相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)，從而讓三維激光掃描儀進(jìn)入位移模式，對(duì)露天礦山儲(chǔ)量進(jìn)行系統(tǒng)研究。④數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)。在系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要通過(guò)利用計(jì)算機(jī)控制中心軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)掃描數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)在設(shè)置數(shù)據(jù)信息文件過(guò)程中，對(duì)文件信息進(jìn)行傳輸，確保接收儀器在自動(dòng)接收數(shù)據(jù)信息后，可自動(dòng)將信息錄入文件，并上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)相關(guān)工作人員需要對(duì)數(shù)據(jù)路進(jìn)行更新。⑤數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換，在對(duì)所保存的原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行掃描后，需要處理文件，從而生成云數(shù)據(jù)文本文件，利用數(shù)據(jù)瀏覽工具對(duì)文化信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

在三維激光掃描儀器的作用下，通過(guò)設(shè)計(jì)露天礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可及時(shí)對(duì)礦山資源進(jìn)行全面掌握，同時(shí)根據(jù)礦山儲(chǔ)量情況，設(shè)計(jì)安全可靠的技術(shù)方案，節(jié)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(yīng)用下，所獲取的數(shù)據(jù)信息更加精確，可通過(guò)三維加墨為工作人員提供更加直觀的數(shù)據(jù)信息。