彭勁松,葉 波,李 娟,周光明

(1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005; 2. 武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

在礦山建設(shè)和采礦過程中，礦山測量是為礦山的規(guī)劃設(shè)計、勘探建設(shè)、生產(chǎn)和運營管理及礦山報廢等進行的測繪工作。

三維激光掃描技術(shù)以高密度、高精度和高效率的測量手段，完成礦山生產(chǎn)過程中地形測圖、堆體體積計算、礦區(qū)沉降觀測等工作，是實現(xiàn)礦山高效、精細化生產(chǎn)的有效保障。

傳統(tǒng)方法運用到的儀器主要有GPS、全站儀、水準儀等，可以測量到比較精確的點位位移，但觀測點過少、觀測時間過長，無法實施整體監(jiān)測。傳統(tǒng)方式一般采用免棱鏡全站儀觀測滑坡體局部特征點，但只能采集單點數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常有限，不能很好地對滑坡做好勘查、監(jiān)測工作。若采用無人機通過傾斜攝影測量來進行數(shù)據(jù)采集，精度也不是很理想，同樣無法滿足要求。

本文采用三維激光掃描儀對廠房和礦山進行數(shù)據(jù)采集，使用配套軟件生產(chǎn)加工完成1∶500地形圖、堆體體積計算，以及滑坡對周邊區(qū)域預(yù)警分析等成果，并將采集處理成果和傳統(tǒng)RTK測量方式獲得的結(jié)果進行比對。數(shù)據(jù)顯示，無論在精度，還是在采集處理效率方面，均可以獲得令人滿意的效果。

1 總體技術(shù)路線

本文技術(shù)路線如圖1所示。

2 設(shè)備及配套軟件

使用設(shè)備為HS系列高精度三維激光掃描儀，該設(shè)備為脈沖式地面三維激光掃描設(shè)備，非常適合地形測繪、礦山測量等大場景區(qū)域測量應(yīng)用,如圖2所示。

硬件部分：設(shè)備具有5 mm的測量精度，最遠測距可達1200 m,整機具備IP64防護等級，可連續(xù)使用4 h以上，內(nèi)置240 GB固態(tài)硬盤,此次作業(yè)主要采集航道區(qū)域的點云及全景等。

軟件部分：配套軟件具備點云預(yù)處理、全景與點云配準著色、點云分類濾波、測圖、提取矢量要素、體積計算、預(yù)警分析等功能。

圖1 技術(shù)路線

圖2 HS系列高精度三維激光掃描儀

3 作業(yè)流程

3.1 現(xiàn)場環(huán)境

現(xiàn)場環(huán)境為北方某露天礦坑，常年風(fēng)沙巨大，車輛運輸較為頻繁，如圖3所示。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

設(shè)置掃描參數(shù)對外業(yè)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，對標配靶標精確掃描，并采用后視定向的方式獲取絕對坐標位置。

圖3 現(xiàn)場環(huán)境邊坡

3.3 坐標轉(zhuǎn)換

可通過兩種方式進行坐標轉(zhuǎn)換：

(1) 精掃3個標靶后，提取標靶點中心位置，進行三坐標七參數(shù)轉(zhuǎn)換。

(2) 可通過RTK連接組件進行后視定位定向方式轉(zhuǎn)換坐標，如圖4所示。

圖4 坐標轉(zhuǎn)換

將外業(yè)RTK數(shù)據(jù)通過固定參數(shù)轉(zhuǎn)換為掃描儀相位中心點作為定位點，將后視定向靶標通過固定參數(shù)轉(zhuǎn)換為標靶中心點作為定向點。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

工程數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理基本步驟：

(1) 使用HD 3LS Scene軟件進行點云預(yù)處理，全景與點云配準著色，點云分類濾波。

(2) 使用HD PtCloud Vector(For AutoCAD & ArcGIS)進行測圖，提取矢量要素。

(3) 生產(chǎn)DEM、DWG及滑坡區(qū)域預(yù)警分析。

3.5 數(shù)據(jù)成果

處理成果包括礦山點云、礦山數(shù)字高程模型、礦山數(shù)字線劃圖等，如圖5—圖7所示。

3.6 確定邊界范圍

由于需要確定滑坡邊界位置，結(jié)合地質(zhì)資料確定地層巖性從而判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并反演不同應(yīng)力結(jié)構(gòu)下的地層可能滑坡的整體方量、坡度角度及下滑的可能位置，分別如圖8—圖11所示。

圖5 礦山整體點云

圖6 礦山數(shù)字高程模型

圖7 礦山數(shù)字線劃圖

圖8 邊界及鉆孔位置坐標點

圖9 邊界范圍模型

4 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)可以將礦山的所有實景信息復(fù)制到計算機，大大提高了測量效率，節(jié)約了人力物力，縮短了周期，并且可以轉(zhuǎn)換為計算機可以瀏覽和分析的高密度數(shù)字化信息，從而實現(xiàn)數(shù)字礦山的精準管理。

圖10 邊坡彩色點云側(cè)面圖

圖11 總面積與總體積

根據(jù)三維激光掃描技術(shù)，不僅可以利用獲取的三維激光點云數(shù)據(jù)建立礦山的數(shù)字模型，在此模型上還可以提取多種高精度、高密度數(shù)據(jù)信息，如任意位置長度、距離、體積、面積等。

將多次掃描的數(shù)據(jù)模型進行疊加分析，可精確計算出目標的結(jié)構(gòu)形變、位移及變化關(guān)系等，為指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)提供真實可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。