趙夢ZHAO Meng；李雷LI Lei；侯會(huì)平HOU Hui-ping

（①山東煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，泰安 271000；②山東科技大學(xué)，青島 266590；③山東能源淄礦集團(tuán)許廠煤礦技術(shù)科，濟(jì)南 250014）

（①The Third Exploration Team of Shandong Province Bureau of Coal Geology，Taian 271000，China；②Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；③Shandong Energy Zibo Mining Group Co.，Ltd.Xu Factory Coal Mine Technology Division，Ji'nan 250014，China）

0 引言

眾所周知，露天礦生產(chǎn)比較特殊，因此，與其相應(yīng)的測量工作也有自身特點(diǎn)。但隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，露天礦的隨時(shí)采挖和采挖后泥土填補(bǔ)，都要求測量能及時(shí)跟上，而常規(guī)儀器的精度和效率已經(jīng)不能滿足當(dāng)前礦山測繪的效率和精度要求。[1][2]

三維激光掃描技術(shù)是一種新的測量技術(shù)。它能夠在比較復(fù)雜和危險(xiǎn)的現(xiàn)場和空間對(duì)被測物體進(jìn)行多方位快速掃描測量，并直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度等信息，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。[3]由于受傳統(tǒng)測量手段的影響，我國礦山儲(chǔ)量、開采量等數(shù)據(jù)一直處于不精確狀態(tài)，而三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展能夠?yàn)榈V山測量的理論與技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供良好的技術(shù)保障。

1 露天礦測量概述

露天礦測量的主要目的是礦山儲(chǔ)量地質(zhì)測量，就是以礦山的礦產(chǎn)勘查報(bào)告、儲(chǔ)量核算報(bào)告和上年度礦山儲(chǔ)量年報(bào)等資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用實(shí)地測量及礦山采樣測試、地質(zhì)編錄等技術(shù)手段，通過一系列資料整理，粗略估算本年度礦山的有效開采量、平均損失量以及資源儲(chǔ)量變化量，編制本年度礦山資源報(bào)告。它最核心的工作就是解決礦體的測算精度和歷年相關(guān)儲(chǔ)量數(shù)據(jù)的一致性、連續(xù)性問題。因此，必須要搞好礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，建立以資源消耗量為基礎(chǔ)的礦產(chǎn)資源補(bǔ)償費(fèi)征繳制度，其核心工作是要采用滿足《規(guī)范》精度要求的測量技術(shù)和方法。

2 常規(guī)測量技術(shù)的缺點(diǎn)

2.1 測量精度低 礦山開采面的不規(guī)則性和常規(guī)地質(zhì)測量選取特征點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的局限性對(duì)測量成果的精度影響較大，主要有以下幾個(gè)方面：①測區(qū)地形的復(fù)雜情況；②特征點(diǎn)選取的位置；③特征點(diǎn)分布的密度；④計(jì)算模型的選擇。在平坦的礦山開采面上作業(yè)，都有一定保證的，但對(duì)于采掘面十分復(fù)雜的露天礦山來說，有很多地方巖壁陡峭，作業(yè)人員根本無法到達(dá)，因此特征點(diǎn)的選取位置和密度就不能得到滿足。根據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范》的技術(shù)要求，其剖面點(diǎn)的高程中誤差不得超過1/3 等高距。目前，在實(shí)際的工作當(dāng)中，礦山的開采儲(chǔ)量都是經(jīng)過補(bǔ)做外業(yè)工作或多次核算來完成的。由此可見，常規(guī)礦山地質(zhì)測量技術(shù)的落后已經(jīng)嚴(yán)重影響了礦山儲(chǔ)量的可信性，制約了礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)管的實(shí)際效果。

2.2 測量速度慢 常規(guī)的地質(zhì)測量技術(shù)受外界條件、人員和儀器的影響較大，速度比較慢。通常，一個(gè)作業(yè)小組完成一個(gè)礦山的全部測量工作需要兩天，而礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)管要求時(shí)效性很強(qiáng)，一般的作業(yè)時(shí)間只有九十天左右，這樣，一個(gè)作業(yè)小組只能測量四十多個(gè)礦山，可以看出，傳統(tǒng)地質(zhì)測量技術(shù)是很難滿足礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)管需要的。

2.3 安全隱患多 露天礦開采面有諸如落石、陡峭的山體、不穩(wěn)定的礦體等不安全因素，這樣，測量人員的工作環(huán)境就很危險(xiǎn)。然而，無論采用什么樣的安全措施都無法從根本上消除客觀存在危險(xiǎn)，最好的辦法只能是遠(yuǎn)離開采區(qū)。

2.4 直觀性差 常規(guī)的地質(zhì)測量技術(shù)采用的是數(shù)據(jù)報(bào)表，并沒有與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的礦山圖像，因此，監(jiān)管人員無法直觀了解礦山的實(shí)際開采狀況。

3 三維激光掃描技術(shù)的原理及特點(diǎn)

3.1 三維激光掃描技術(shù)的原理 三維激光掃描儀是一個(gè)高級(jí)的非接觸式空間結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)。通過發(fā)射紅外線光束，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，掃描儀將獲得激光點(diǎn)所接觸物體表面的信息進(jìn)行處理并自動(dòng)存儲(chǔ)和計(jì)算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)于掃描物體表面測量點(diǎn)Mj，每個(gè)完整掃描會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)云的三維坐標(biāo)(Xm，Ym，Zm)。代表一個(gè)點(diǎn)云∑Mj（Xm，Ym，Zm）作為掃描結(jié)果，其中

式中，X0，Y0，Z0表示激光掃描點(diǎn)中心的位置，可根據(jù)數(shù)據(jù)解算需要設(shè)置：φ,ω,κ 為初始的姿態(tài)參數(shù)，β 為每個(gè)激光點(diǎn)與初始姿態(tài)夾角，r 為每個(gè)激光點(diǎn)測距結(jié)果。

3.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn) 三維激光掃描技術(shù)為礦山測量提供了重要的技術(shù)手段，與常規(guī)測量相比，它具有以下特點(diǎn)。①非接觸測量，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描；②采樣速度快、密度高，時(shí)效性和精度有保證；③數(shù)據(jù)處理快，能夠快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)；④數(shù)字化采樣，兼容性好，其輸出格式可直接與CAD、三維動(dòng)畫等工具軟件對(duì)接。⑤可與外置數(shù)碼相機(jī)、GPS 系統(tǒng)配合使用，大大擴(kuò)展了三維激光掃描技術(shù)的使用范圍，對(duì)信息的獲取更加全面、準(zhǔn)確；⑥結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)能力強(qiáng)適合野外使用。目前常用的掃描設(shè)備一般具有體積小、重量輕、防水、防潮，對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適于野外使用。

4 三維激光掃描技術(shù)在露天礦測量中的應(yīng)用

4.1 三維激光掃描儀工作流程簡介 ①要進(jìn)行實(shí)地踏勘，根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況，選擇若干個(gè)能夠長期保存的控制點(diǎn)，合理布設(shè)掃描測站；②按照工作計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。在控制點(diǎn)安置儀器，按儀器的操作要求在實(shí)地獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；③對(duì)采集好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)、拼接、去噪等預(yù)處理；④建立三維影像模型；⑤根據(jù)工程的實(shí)際需要計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 提交的主要測繪成果 通過建立真實(shí)的三維模型，匹配真實(shí)影像數(shù)據(jù)作為模型紋理形成的礦山掃描影像；點(diǎn)云數(shù)據(jù)和礦體的三維模型；在三維模型的基礎(chǔ)上，通過測繪技術(shù)手段完成的大比例尺礦區(qū)地形圖和地質(zhì)圖；根據(jù)礦產(chǎn)分布、作業(yè)能力和技術(shù)手段繪制礦山開采區(qū)塊分析圖；地形、地質(zhì)測量的成果質(zhì)量分析報(bào)告。

5 應(yīng)用實(shí)例

以上對(duì)三維激光掃描技術(shù)和三維激光掃描儀進(jìn)行了介紹，下面結(jié)合實(shí)例分別用三維激光掃描儀和普通測量儀器對(duì)兩個(gè)露天礦進(jìn)行測量，測量分四個(gè)組同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)礦均安排兩個(gè)組，分別采用不同的測量方法，根據(jù)實(shí)地情況，簡單分析如下：表中是兩個(gè)大型露天礦采用兩種測量方法分別得出的數(shù)據(jù)。礦A 的開采面坡度變化小比較規(guī)則，礦B 的開采面坡度變化大比較復(fù)雜，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1

通過此表，可看出以下幾點(diǎn)：①三維激光掃描技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大量測量點(diǎn)，獲得更加嚴(yán)密、真實(shí)、客觀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而可以大大提高露天礦山地質(zhì)測量精度；②三維激光掃描技術(shù)能夠大大節(jié)約人力和時(shí)間；③三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)?shù)字高程模型與獲得的影像融合，這是由于該技術(shù)融合了動(dòng)態(tài)分析技術(shù)；④從測量結(jié)果上來說，三維激光掃描技術(shù)獲得的結(jié)果比傳統(tǒng)技術(shù)獲得的結(jié)果更加穩(wěn)定可信。

[1]童光煦.高等采礦學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2]張國良.礦山測量學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3]徐進(jìn)軍.地面三維激光掃描儀現(xiàn)狀與發(fā)展[J].測繪通報(bào)，2007（1）：47-50.