孫茂存，楊文華，夏積德

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，空間三維數(shù)據(jù)信息在數(shù)字化城市建設(shè)、數(shù)字礦山管理及數(shù)字地球等方面得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字礦山則是對(duì)礦山的三維圖形信息和屬性信息進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)和處理后，進(jìn)行可視化表達(dá)的新理念。數(shù)字礦山要求能夠全面瀏覽和分析礦山的三維實(shí)景信息，而目前用全站儀和GPS采集的礦山三維信息數(shù)據(jù)是單點(diǎn)數(shù)據(jù)，難以反映復(fù)雜的地形信息，不能夠滿足數(shù)字礦山的需求[1]；因此，將礦山的三維實(shí)景信息可視化是亟待解決的問題。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展有效地解決了這一難題，推進(jìn)了數(shù)字礦山的發(fā)展。

1 三維激光掃描技術(shù)

通過掃描實(shí)物，快速地獲得該物體的空間三維數(shù)據(jù)，重建該物體的三維實(shí)體模型稱為三維激光掃描技術(shù)。該技術(shù)是非接觸式測量，即無需接觸被測目標(biāo)，即可快速、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)和自動(dòng)化地獲取目標(biāo)的高精度、高分辨率的三維空間信息數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)三維測量方法優(yōu)勢更加顯著[2]。三維激光掃描技術(shù)獲取的三維信息是點(diǎn)云信息，由高密度的離散點(diǎn)組成，真實(shí)的反映目標(biāo)的三維信息，內(nèi)容豐富，無需進(jìn)行實(shí)物表面處理，數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。三維激光掃描技術(shù)以其高精度、高效率的優(yōu)勢在文物古跡保護(hù)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、交通事故處理和數(shù)字城市等多方面應(yīng)用廣泛，尤其可為數(shù)字礦山建設(shè)提供準(zhǔn)確、詳盡的三維空間信息，在數(shù)字礦山中廣泛應(yīng)用[3]。

三維激光掃描系統(tǒng)能快速、高效地獲取目標(biāo)表面的空間信息。測量采用激光測距原理，通過對(duì)水平和豎直方向角度記錄，計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置[4]。持續(xù)發(fā)射激光全面掃描待測目標(biāo)，在硬盤中存儲(chǔ)獲取的三維數(shù)據(jù)，用專用軟件對(duì)獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

該技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用有3個(gè)優(yōu)勢：1)實(shí)現(xiàn)了礦山的精準(zhǔn)化管理，可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦山的實(shí)景信息進(jìn)行瀏覽查詢；2)可以直接對(duì)礦山的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，且查詢數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)可靠； 3)分時(shí)段多次對(duì)同一礦山進(jìn)行掃描建立數(shù)據(jù)模型，對(duì)所得不同時(shí)段的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行疊加分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)變化及位移情況，得到的變化數(shù)據(jù)直接反映了礦山的動(dòng)態(tài)變化情況，指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)。

2 三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用

2.1 礦區(qū)三維可視化管理及地下巷道的三維可視化

建立礦區(qū)的地表三維模型，全面、快速掃描整個(gè)礦區(qū)，掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過軟件處理得到該區(qū)域的三維實(shí)景模型，并通過后處理將圖形信息掛接對(duì)應(yīng)的屬性信息，用戶在點(diǎn)擊圖形的同時(shí)就可以看到該圖形對(duì)應(yīng)的所有屬性信息，還可通過建立空間索引的方式實(shí)現(xiàn)圖形信息和屬性信息的連接，從而實(shí)現(xiàn)礦山的數(shù)字化管理。

三維激光掃描技術(shù)獲取三維點(diǎn)云信息十分完整，不僅包括巷道內(nèi)詳細(xì)的空間信息，還包含了礦山的紋理信息和巷道內(nèi)的設(shè)備及附屬設(shè)施信息。經(jīng)過軟件處理后監(jiān)理的巷道三維模型直觀、詳盡地反映了巷道內(nèi)部的三維真實(shí)場景，用戶可以實(shí)時(shí)地了解開采進(jìn)度，查看設(shè)備信息[5]。在巷道三維模型中載入人員定位系統(tǒng)，在三位場景中實(shí)時(shí)顯示定位井下工作人員的具體位置，還原工作人員運(yùn)動(dòng)軌跡，了解其具體動(dòng)向，如圖1所示。在巷道模型中加載安全監(jiān)測設(shè)備信息，當(dāng)巷道內(nèi)出現(xiàn)異常情況，監(jiān)測設(shè)備發(fā)出警示并在三維模型中實(shí)時(shí)報(bào)警顯示具體位置，實(shí)現(xiàn)了礦山的三維可視化安全監(jiān)測。如果將員工的安全培訓(xùn)放在三維立體模型下進(jìn)行，效果顯著，可以有效地提高管理效率。

圖1 礦井三維可視化圖

2.2 礦區(qū)Web點(diǎn)云的瀏覽和量算

經(jīng)過處理的礦山的Web點(diǎn)云信息可以用Windows內(nèi)置IE瀏覽器瀏覽查詢，這些數(shù)據(jù)是在三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過紋理處理和軟件后處理得到的[3]。礦山的三維形態(tài)可通過網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行展示。礦區(qū)的Web點(diǎn)云具有礦山的三維實(shí)體的空間信息和紋理信息。用戶既可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽查詢礦山的整體信息，也可以瀏覽查詢局部信息，還可以通過軟件提供的量算功能獲取所需的具體數(shù)字信息，且量算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。礦區(qū)Web點(diǎn)云詳細(xì)地展示了礦山的細(xì)節(jié)信息。

2.3 開挖體積的統(tǒng)計(jì)及采空區(qū)治理

用三維激光掃描儀定期對(duì)露天礦坑進(jìn)行測量，建立三維空間實(shí)景模型。通過前后不同時(shí)期建立的模型疊加分析，可直接獲取變化信息，計(jì)算這段時(shí)間的開采量?？筛鶕?jù)目前獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合開采計(jì)劃，在三維模型上進(jìn)行模擬，預(yù)算開采量，指導(dǎo)礦山生產(chǎn)安全科學(xué)[6]。

地下開采形成的采空區(qū)，容易引發(fā)危險(xiǎn)事件，危及礦山生產(chǎn)及工作人員的人身安全，影響礦山正常生產(chǎn)，制約礦山的可持續(xù)發(fā)展；因此，應(yīng)掌握采空區(qū)的詳細(xì)信息，分析具體情況，制定合理有效的解決方案。獲取礦山采空區(qū)的詳細(xì)信息必須通過測量的方式，由于礦山采空區(qū)地形復(fù)雜、特殊，難以靠近，傳統(tǒng)測量難度很大，而三維激光掃描技術(shù)在測量時(shí)無需接觸目標(biāo)即可獲取三維空間信息，且信息詳盡，在礦山采空區(qū)探測中優(yōu)勢顯著[2]。根據(jù)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，該模型真實(shí)地反映了采空區(qū)的詳細(xì)情況，可通過軟件功能查詢計(jì)算所需信息，例如采空區(qū)的體積、邊緣信息等，真正實(shí)現(xiàn)了可視化計(jì)算。采空區(qū)三維模型如圖2所示。采空區(qū)一般位于地下，內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，測量采用三維激光掃描技術(shù)測距>83 m時(shí)，且精度較高(可達(dá)到±3 cm)。

圖2 采空區(qū)三維模型

3 結(jié)語

在采集礦山空間三維信息獲取方面，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量模式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)實(shí)用性強(qiáng)。在地形復(fù)雜、危險(xiǎn)的山區(qū)，由于三維激光掃描技術(shù)非接觸即可測量，所以優(yōu)勢顯著。另外，井下巷道光線較差，三維激光掃描技術(shù)可以全天候作業(yè)，適用于井下作業(yè)。

2)直觀性好。三維激光掃描技術(shù)獲取的信息是三維信息，可以直觀地表示礦山的真實(shí)形態(tài)，為數(shù)字礦山發(fā)展提供了豐富、優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)三維信息數(shù)據(jù)。

3)成果多樣化。用該技術(shù)測量得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息豐富、全面，利用這些信息可以制作多種常規(guī)測量無法完成的高端成果[1]。

三維激光掃面技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用為數(shù)字礦山的建設(shè)提供了一個(gè)快速、高效的獲取礦山三維信息的嶄新技術(shù)途徑，突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測量的弊端，有效地解決了數(shù)字礦山領(lǐng)域當(dāng)前的技術(shù)難題，是一項(xiàng)新興的測繪技術(shù)。本文介紹的只是該技術(shù)的一小部分應(yīng)用，在數(shù)字礦山領(lǐng)域，該技術(shù)仍處于發(fā)展階段，其在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊。

[1] 白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用[J]. 測繪科學(xué)，2013，38(5):178-179.

[2] 白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用[J]. 山東國土資源，2013，29(8)：43-46.

[3] 范玲玲.激光掃描技術(shù)在數(shù)字化礦山中的應(yīng)用探討[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，30(6)：53-55.

[4] 唐藝.基于三維激光掃描技術(shù)的活立木材積測量方法[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 蔣江生，楊興元.三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用 [J].地礦測繪，2014，30(3)：38-40，47.

[6] 王健，李雷，姜巖.天寶三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山中的應(yīng)用探討[J].測繪通報(bào)，2012(10)：58-61，91.