馬華雪 孫家兵

摘 要： 三維激光掃描儀在近十年來(lái)取得飛速發(fā)展，由于其特有非接觸，高速，全信息化的采集數(shù)據(jù)能力。使其在眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用：從工程建設(shè)，考古研究，地質(zhì)災(zāi)害，森林分析，測(cè)繪與地理信息，刑事偵查等。本文主要通過(guò)三維激光掃描在礦山儲(chǔ)量測(cè)算中的應(yīng)用分析，剖析三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)算技術(shù)的優(yōu)劣以及其在礦山管理中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 礦山儲(chǔ)量 點(diǎn)云 矢量數(shù)據(jù)模型 三維激光掃描技術(shù)

一、礦山儲(chǔ)量管理現(xiàn)狀

1.管理的內(nèi)容和技術(shù)方法：礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理的目的是適時(shí)、準(zhǔn)確掌握礦山資源儲(chǔ)量保有、變化情況，促進(jìn)礦山資源儲(chǔ)量的有效保護(hù)和合理利用。并通過(guò)礦山測(cè)量、礦山地質(zhì)調(diào)查等工作，建立礦山儲(chǔ)量臺(tái)帳，編制礦山生產(chǎn)有關(guān)圖件及《礦山儲(chǔ)量年報(bào)》方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而礦山測(cè)量是礦山儲(chǔ)量管理最基礎(chǔ)性技術(shù)工作，其主要工作內(nèi)容是在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行地上、地下工程施工測(cè)量，測(cè)繪采掘（剝）工程圖，繪制礦體幾何圖，對(duì)采掘工程的數(shù)量和質(zhì)量、采礦量和礦石損失貧化等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)督。測(cè)制礦區(qū)大比例尺地形圖或現(xiàn)狀圖。

現(xiàn)行的礦山測(cè)量一般都采用全站儀或GPSRTK采集礦區(qū)平面和高程數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)開(kāi)采（范圍，坡度，臺(tái)段高度）信息，通過(guò)人工計(jì)算或AUTOCAD等軟件幾何作圖求出各開(kāi)采段的礦產(chǎn)剖面形狀，再利用下列公式估算開(kāi)采量：

公式①：當(dāng)上、下斷面面積差比值 ≤40%時(shí)，采用棱柱體公式計(jì)算，公式為V= （S1+S2）。

公式②：當(dāng)上、下斷面面積差比值 >40%時(shí)，采用截錐體公式計(jì)算，公式為V= （S1+S2+ ）。

公式③：當(dāng)塊段僅有一個(gè)斷面有效，另一端作點(diǎn)尖滅時(shí)，采用角錐體公式計(jì)算，公式為V= S。

公式④：當(dāng)塊段僅有一個(gè)截面有效，另一端作線形尖滅，采用楔形體公式計(jì)算，公式為V= S。

上面的方法實(shí)質(zhì)是斷面法的變異，也可以根據(jù)一般的土石方計(jì)算軟件采用方格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算附圖也主要以二維平面圖為主。輸出的數(shù)據(jù)是離散的數(shù)據(jù)文件，包括圖形文件：*.dwg，文檔數(shù)據(jù)*.doc或*.xls。

2.存在的問(wèn)題

目前所應(yīng)用的礦山測(cè)算方法已經(jīng)沿用多年，雖然對(duì)礦山的動(dòng)態(tài)管理和礦山年報(bào)的制作起到一定的作用，但與礦產(chǎn)資源精細(xì)化、信息化管理還有相當(dāng)大的差距。而在全省，乃至全國(guó)露天礦數(shù)量眾多，其開(kāi)采狀況與自然環(huán)境有密切的關(guān)系。加強(qiáng)對(duì)這些礦山的管理和監(jiān)測(cè)不僅是礦山資源管理的任務(wù)，也是環(huán)保部門(mén)迫切需要關(guān)注的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的礦山測(cè)算方式存在以下不足：

1， 全站儀或GPS測(cè)量是粗放的采集離散點(diǎn)，尤其是在開(kāi)挖不規(guī)則的礦區(qū)，其與實(shí)際情況的吻合度較低。

2， 傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)需要人員到地形特征點(diǎn)跑尺，不僅帶有一定的危險(xiǎn)性，而且其測(cè)量效率低下。

3， 傳統(tǒng)的礦山測(cè)量數(shù)據(jù)后處理，采用的計(jì)算方法落后（粗放的近似估算），數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度低，計(jì)算結(jié)果帶有較大的誤差。且成果的直觀性差，可驗(yàn)證性不大。

4， 輸出的圖形形式單一，可讀性不高；文檔結(jié)構(gòu)松散，不便于歸檔，查詢，更新，分析，統(tǒng)計(jì)，共享和預(yù)決策使用。

二、三維激光掃描技術(shù)原理及發(fā)展趨勢(shì)

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。新型掃描一般配置同軸高清數(shù)碼相機(jī)，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)采集對(duì)象的柵格圖像數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云柵格數(shù)據(jù)的匹配。新型掃描儀的掃描速度都在10000點(diǎn)/秒以上。由于其能快速，精確，全面信息采集功能，使得其應(yīng)用無(wú)所不在。以徠卡新型HDS8800掃描儀為例，該儀器最大測(cè)程為2000米，視場(chǎng)角360*80，內(nèi)置同軸7000萬(wàn)像素相機(jī)，預(yù)留GPS通訊端口。其配置的專業(yè)I-Site Sudio數(shù)據(jù)處理軟件，能進(jìn)行掃描儀控制，拼接，建模 （二維，三維），數(shù)據(jù)導(dǎo)出，體積、表面積計(jì)算，生成等高線，繪制斷面圖、產(chǎn)狀圖，三維場(chǎng)景渲染，建筑總平面等圖和立面圖繪制。非常適合礦山，地形，海島灘涂，電力線路巡檢等遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)應(yīng)用。隨著三維數(shù)字城市，智慧城市，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。三維掃描儀在虛擬地理環(huán)境（VGE）中的應(yīng)用將會(huì)得到普遍的應(yīng)用。

三、案例應(yīng)用

1.以某石礦為例來(lái)說(shuō)明三維激光掃描儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

某石礦位于浙江省新安江市，采掘面積約0.09平方公里，年開(kāi)采量約10萬(wàn)噸。2011年運(yùn)用傳統(tǒng)方法和三維激光掃描方法同時(shí)對(duì)概況進(jìn)行儲(chǔ)量開(kāi)采測(cè)量。為了能更好的進(jìn)行比較，驗(yàn)證三維激光掃描儀技術(shù)的精度。我們?cè)诓捎脗鹘y(tǒng)全站儀采集數(shù)據(jù)時(shí)分成3個(gè)等級(jí)進(jìn)行。第一個(gè)等級(jí)用了15米采樣間距；第二個(gè)等級(jí)用了10米采樣間距，第三個(gè)等級(jí)用5米采樣間距。三維激光掃描是采用0.1m/200m的采樣密度進(jìn)行。

2.結(jié)論：

通過(guò)上面的例子我們明顯的看到，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行礦山地質(zhì)測(cè)量工作，有著傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1， 采集數(shù)據(jù)信息豐富。三維激光掃描儀不僅僅采集單一的平面幾何數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)相機(jī)，能夠采集到實(shí)體對(duì)象的屬性信息（色彩，形狀，物體類型，材質(zhì)等）。這些數(shù)據(jù)的通過(guò)疊加能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的“實(shí)景復(fù)制”。

2， 安全高效。激光掃描技術(shù)屬于非接觸測(cè)量，對(duì)于人力無(wú)法到達(dá)或危險(xiǎn)地區(qū)如懸崖，沼澤，高壓設(shè)施等，激光掃描技術(shù)無(wú)疑是最佳選擇。其高密度、高速成片掃描既保證了掃描的質(zhì)量和速度，同時(shí)也大大提高生產(chǎn)的安全性。

3， 成果的可靠性。三維掃描獲得的是海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其后處理是通過(guò)計(jì)算機(jī)模型自動(dòng)處理，不僅提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)也減少了內(nèi)業(yè)的任務(wù)量?！皩?shí)景數(shù)據(jù)”可以隨時(shí)調(diào)用，在線歷史現(xiàn)場(chǎng)。是歷史回溯的寶貴資料。

4， 數(shù)據(jù)的通用性。三維掃描數(shù)據(jù)既有矢量數(shù)據(jù)，又有柵格圖像數(shù)據(jù)，二者是嚴(yán)格匹配的。也是與目前的三維GIS數(shù)據(jù)要求一致的，可以根據(jù)需要隨時(shí)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GIS管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)礦山三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管。

當(dāng)然，作為一門(mén)新興的測(cè)量科學(xué)技術(shù) ，三維激光掃描儀的應(yīng)用也有其局限性。就礦山儲(chǔ)量管理應(yīng)用而言，它無(wú)法探測(cè)礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以無(wú)法獲得礦體的產(chǎn)狀。這對(duì)產(chǎn)狀復(fù)雜的金屬礦床來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用受到大大的限制。但與地質(zhì)勘探資料結(jié)合，采取適當(dāng)?shù)慕７绞?，?duì)于提高金屬礦，尤其是貴金屬礦的估算精度還是非常有價(jià)值的?？傊S激光掃描技術(shù)對(duì)于正在蓬勃發(fā)展的虛擬地理環(huán)境（VGE）建設(shè)給予越來(lái)越多的支持，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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