摘 要：3D激光掃描技術(shù)是“數(shù)字礦山”建設(shè)的重要保障，在金屬礦山測(cè)量中不僅可以提供高精度的有效數(shù)據(jù)，還具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、數(shù)字化和不接觸等優(yōu)勢(shì)，是目前我國(guó)在礦山勘探、開采中的核心技術(shù)。尤其在針對(duì)礦藏地下測(cè)量中，利用3D激光掃描技術(shù)展開地下巷道測(cè)量，可以快速、形象地建設(shè)好巷道模型，并直觀地獲取地下巷道之間的空間關(guān)系。文章以下基于3D激光掃描的金屬礦測(cè)量應(yīng)用展開研究，并提出合理的建議和展望。

關(guān)鍵詞：3D激光掃描；礦山測(cè)量；金屬礦測(cè)量；三維技術(shù)

基于逆向工程原理利用激光掃描技術(shù)，可以快速地建設(shè)出物體的三維幾何模型，并將各部分內(nèi)容數(shù)字化。這一技術(shù)在金屬礦地形測(cè)量中也同樣適用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多利用3D激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量應(yīng)用成功的案例，而在我大紅山銅礦，已經(jīng)初步的利用3D激光掃描技術(shù)對(duì)礦井展開設(shè)計(jì)、測(cè)量和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，取得了很大的效果；鑒于這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，近年來我大紅山銅礦也更加積極的多方位的展開3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)踐，在取得一定效果的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了很多亟待解決的問題。

一、激光掃描技術(shù)概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，金屬礦藏的消耗數(shù)量和種類都在增加。金屬礦藏大多隱藏在地面以下，傳統(tǒng)的勘探、開采技術(shù)存在一定的盲目性。技術(shù)的不斷進(jìn)步為解決這一難題提供了條件，激光掃描技術(shù)具有明顯的高科技特征，包括快速性、不接觸性、實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、高精度性、數(shù)字化等。筆者結(jié)合實(shí)踐中的需求分析，認(rèn)為激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)主要在以下四個(gè)方面。

第一，解決安全隱患問題。金屬礦產(chǎn)大多是存在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，包括一些縫隙、溶洞等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，特別是一些采空區(qū)中有大量的安全隱患存在，這會(huì)給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。利用3D激光掃描技術(shù)可以在空間作業(yè)的基礎(chǔ)上展開測(cè)量，精密探測(cè)空去的空間形狀和形態(tài)，并將所得到的信息數(shù)字化，結(jié)合成像技術(shù)展示出來，從而為金屬礦的科學(xué)開采和安全管理提供有效的依據(jù)。

第二，解決復(fù)雜空間問題。由于金屬礦區(qū)天然環(huán)境和人工環(huán)境的作用，在地表存在大量的設(shè)備、原料、礦石、廢渣等，傳統(tǒng)的地面測(cè)量工作很難展開，同時(shí)以人工為主的勘探方式，也無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地下巷道，包括一些已經(jīng)廢棄的、正在使用的和重新開發(fā)的巷道，形成了一個(gè)復(fù)雜、破碎的體系，很難實(shí)現(xiàn)全面的測(cè)量。

第三，解決復(fù)雜構(gòu)造問題。無論是人工構(gòu)造還是自然構(gòu)造，在礦山環(huán)境中呈現(xiàn)的關(guān)系都很復(fù)雜，經(jīng)常是以變量的形式存在。也就是說，空間數(shù)據(jù)是呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)形式存在的，相應(yīng)地，對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、收集、管理、處理等也應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，而這些顯然是不能通過人工方式完成的。

第四，解決分辨率問題。傳統(tǒng)的測(cè)量方式中所形成的二維平面圖，并不能完全展現(xiàn)出空間勘測(cè)的情況，誤差存在具有普遍性。而激光掃描技術(shù)所具備的數(shù)字性、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，可以在礦山測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)工作中實(shí)現(xiàn)井下被測(cè)對(duì)象的空間位置（三維坐標(biāo)），不僅數(shù)據(jù)更加詳實(shí)，還可以更直觀地觀測(cè)到礦山巷道及地質(zhì)環(huán)境。

二、3D激光掃描原理及金屬礦測(cè)量方法應(yīng)用

（一）3D激光掃描原理分析

3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要是結(jié)合了激光測(cè)距儀以及一組可導(dǎo)引激光以等速度掃描的反光棱鏡，同時(shí)，高清攝像機(jī)也是必不可少的裝備。很顯然，3D指的是三維空間，利用這以一技術(shù)可以清晰地確定任何一個(gè)對(duì)象的詳細(xì)位置。在應(yīng)用中，激光測(cè)距儀采用的是脈沖式測(cè)量，設(shè)備可以發(fā)射激光并同時(shí)接受來源于自然物體的反射信號(hào)，由此獲得與對(duì)象間的物理距離。此外，結(jié)合每一掃描點(diǎn)可測(cè)的測(cè)量點(diǎn)到掃描點(diǎn)的斜距，再配合豎直角度和掃描的水平角，就能夠計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)之間的坐標(biāo)差，計(jì)算公式如下：

（二）數(shù)據(jù)處理與模型建立

首先，平滑掃描數(shù)據(jù)。根據(jù)一般測(cè)量操作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果能夠促使測(cè)量對(duì)象點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離均勻化，就可以減少測(cè)量距離之間的誤差。在現(xiàn)實(shí)測(cè)量中，一般劃分為連續(xù)表面和不連續(xù)表面，其中不連續(xù)表面是在比較遠(yuǎn)的距離上有前景的數(shù)據(jù)和對(duì)象，而連續(xù)表面則是指所有點(diǎn)都處于上面的平面。

其次，過濾數(shù)據(jù)。過濾數(shù)據(jù)是典型的數(shù)據(jù)處理過程，簡(jiǎn)單地說，在掃描中得到的信息并非完全都是有效的。例如利用孤點(diǎn)過濾，過濾點(diǎn)之間的常量是人為設(shè)置的，操作中一般認(rèn)為2m左右就是一個(gè)較為合適的常量。如果掃描獲得的數(shù)據(jù)中，其中一個(gè)點(diǎn)的方圓兩米內(nèi)都不具有其他掃描點(diǎn)存在，那么這個(gè)數(shù)據(jù)就是沒有價(jià)值的，應(yīng)該過濾掉，重新變動(dòng)測(cè)站；但也會(huì)出現(xiàn)相反的情況，如果大面積出現(xiàn)無效點(diǎn)，就可以換位思考，將其他部分的數(shù)據(jù)列為是無效點(diǎn)，由此獲得連續(xù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集。此外，處于精確度的考慮，在實(shí)際的操作中可以根據(jù)需求調(diào)整激光掃描的角度，如1度、3度等，最后進(jìn)行孤點(diǎn)過濾，經(jīng)過渲染形成連續(xù)的彩色點(diǎn)陣圖。

再次，平面三角化點(diǎn)云。三角化是進(jìn)行精確測(cè)量的重要形式，在作業(yè)過程中，需要注意的是確定三角網(wǎng)的最大邊和最小邊，由此才能更好地實(shí)現(xiàn)TTN精度以及結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)目前利用3D激光掃描技術(shù)中，主要包括球面三角化和平面三角化形式，以較為簡(jiǎn)易的平面三角化形式來說，通過（x，y）平面中構(gòu)建三角網(wǎng)，然后創(chuàng)建激光掃描的二維形式。平面三角化的應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，但適用的范圍也很有限，在大多數(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)象中，球面三角化具有更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

（三）坐標(biāo)匹配與坐標(biāo)糾正

值得注意的是，基于3D激光掃描技術(shù)開展的基礎(chǔ)坐標(biāo)設(shè)置通常是隨意選定的，在測(cè)站位置并不已知的前提下，很難通過一次作圖就得到精確的礦區(qū)測(cè)量模型。為了解決這一問題，可以采取多幅云點(diǎn)圖歸納的方式，將測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到一個(gè)最為合適坐標(biāo)系中，而這種方法就是“坐標(biāo)匹配”。

在構(gòu)建坐標(biāo)系之后，坐標(biāo)糾正的工作才能開始，即將點(diǎn)云圖納入到地面測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)中。坐標(biāo)糾正的正確做法是，在掃描區(qū)域中（或附近）的控制點(diǎn)設(shè)置為標(biāo)靶，將相鄰的掃描點(diǎn)云圖上3個(gè)以上的控制點(diǎn)通過強(qiáng)制符合的方式，歸納到一個(gè)特定的坐標(biāo)系之下。

（四）挖礦體積測(cè)量以及開采量計(jì)算的應(yīng)用

針對(duì)金屬礦展開測(cè)量是3D激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)作用，在通過掃描之后確定礦藏具體位置以及地質(zhì)下的環(huán)境，就可以針對(duì)挖礦體積展開測(cè)量。具體作業(yè)方法并不復(fù)雜，只要知道礦體總體積，即可通過每月挖礦的數(shù)量來推算剩余礦的體積?？梢酝ㄟ^一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子說明：例如一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容器中裝滿水，如果被消耗掉一部分，那么剩余的部分就是容器體積減去消耗部分。根據(jù)這個(gè)原理，金屬礦每個(gè)月挖方量，就是上個(gè)月礦體剩余量減去本月礦體剩余量，或看作是上個(gè)月和本月礦體表面圍城的體積之差。

（五）巷道3D模擬

掘進(jìn)巷道是進(jìn)行金屬礦開采的基本設(shè)施，傳統(tǒng)的地下空間建筑方式存在很多的盲點(diǎn)，其中缺乏整體性的參照是最大的瓶頸。利用3D激光掃描儀不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，還可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模。具體來說，掃描儀可以自由建站，在巷道的每個(gè)交叉口進(jìn)行設(shè)站，輸入相關(guān)坐標(biāo)和數(shù)據(jù)之后，就可以利用三維模型進(jìn)行實(shí)體化渲染，這一技術(shù)在我礦內(nèi)已經(jīng)得到了實(shí)踐應(yīng)用；而通過三維模型，就可以計(jì)算出巷道大小斷面、表面積、標(biāo)高線和空間容積等。

三、結(jié)語

總體而言，3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以獲取礦體表面的三維點(diǎn)云圖，還可以計(jì)算出挖方量，從而實(shí)現(xiàn)更好地為礦藏的開發(fā)服務(wù)。3D激光掃描技術(shù)作為核心，提出標(biāo)靶球心的計(jì)算方法，有助于提升坐標(biāo)糾正的精確度，甚至精確到毫米級(jí)別，為礦藏的開采也提供了很好的條件。該技術(shù)具有很好的適用性，尤其針對(duì)礦藏地下雜亂無章的局面，可以實(shí)現(xiàn)海量點(diǎn)云激光三維測(cè)繪。但先進(jìn)精密的儀器在應(yīng)用中也存在一些限制條件，例如在盲點(diǎn)掃描地帶，有待進(jìn)一步改進(jìn)和研究，以提高精確度。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚吉利，劉科利，劉守忠.基于3D激光掃描的金屬礦測(cè)量方法研究[J].金屬礦山，2011（07）：114-117.

[2] 霍俊杰，黃潤(rùn)秋.3D激光掃描與巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)測(cè)量方法比較研究——以錦屏Ⅰ級(jí)水電站為例[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（03）：39-44.

[3] 白建昌.3D激光掃描金屬礦測(cè)量方法探究[J].廣東科技，2012（05）：118-120.

[4] 邱俊玲，夏慶霖.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用[J].地球科學(xué)（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)），2012（06）：1209-1216.

[5] 任洪文，劉兆富.三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪采空區(qū)中的應(yīng)用[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2013（03）：64-68.