馬生龍，申成鋒

(青海省有色第一地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000)

近年來，隨著礦山開采程度的逐漸加深，礦山傷亡事故率頻發(fā)，雖然國(guó)家的安全督導(dǎo)與礦山企業(yè)的安全意識(shí)不斷提升，但仍然面臨開采邊坡不穩(wěn)定的問題。因此，礦山開采邊坡變形監(jiān)測(cè)研究對(duì)提升礦山安全生產(chǎn)等具有重要意義。邊坡形變監(jiān)測(cè)方法類型較多，常見的有GPS技術(shù)[1-5]、CORS技術(shù)[6]、GNSS技術(shù)[7]、InSAR技術(shù)[8-10]等。但是礦山開采邊坡通常具有更加復(fù)雜的地形地貌環(huán)境，導(dǎo)致通視條件差，因此，采用上述方法極易造成數(shù)據(jù)采集誤差較大等影響監(jiān)測(cè)效果[11]。三維激光掃描技術(shù)具有干擾因素少、精度高、測(cè)量快等優(yōu)勢(shì)，尤其在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用更為廣泛[12]，基于此，本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某金屬礦山的開采邊坡進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，為分析該邊坡形變趨勢(shì)以及制定治理措施等提供依據(jù)。

1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描技術(shù)是以三維激光掃描儀為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描儀是測(cè)繪工作中最終要的儀器設(shè)備，一般由激光掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、儀器內(nèi)部控制盒校正系統(tǒng)、集成CCD系統(tǒng)等組成[13]。激光測(cè)距系統(tǒng)一般包括激光三角法、相位干涉法和激光脈沖測(cè)距法3種類型，本次礦山開采邊坡使用激光脈沖測(cè)距法。

激光脈沖測(cè)距法的工作原理為：通過儀器設(shè)備中的激光二極管發(fā)射周期性的激光脈沖信號(hào)，對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行快速掃描，當(dāng)激光脈沖信號(hào)接觸到物體表面時(shí)就會(huì)生成反射信號(hào)，當(dāng)被儀器中的接收透鏡接收后就可利用信號(hào)發(fā)射與返回的時(shí)間、路徑等計(jì)算目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)[14]，若將掃描儀的測(cè)距記為S，將掃描儀鏡頭在垂直方向上的觀測(cè)角度記為θ，水平方向上的觀測(cè)角度記為φ，將被測(cè)點(diǎn)的記為P，則被測(cè)目標(biāo)P的三維空間坐標(biāo)信息為P(x，y，z)，其計(jì)算公式可以表述為：

xP=Scosφcosθ

yP=Ssinφcosθ

zP=Ssinθ

三維激光掃描技術(shù)就是通過上述原理，對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行快速掃描測(cè)量，進(jìn)而獲得分辨率高、測(cè)量分布均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 礦山開采邊坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容

三維激光掃描技術(shù)在礦山開采邊坡形變監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用效果，其對(duì)開采邊坡形變監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括以下幾方面。

2.1 邊坡土石方量的計(jì)算

本次在邊坡監(jiān)測(cè)過程中采用不規(guī)則三角網(wǎng)格法對(duì)邊坡的土石方量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而為分析邊坡災(zāi)害影響范圍等提供數(shù)據(jù)依據(jù)[11]。不規(guī)則三角網(wǎng)格法在邊坡土石方量估算中應(yīng)用極為廣泛，主要通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成一系列的三角網(wǎng)格，通過三角柱計(jì)算整體的土石方量。三維掃描技術(shù)計(jì)算邊坡土石方量的操作流程包括：①將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立不規(guī)則的三角網(wǎng)格(TIN網(wǎng)格)；②以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)建立相應(yīng)的參考平面，對(duì)位于參考面之上的體積開展挖方量計(jì)算；③對(duì)位于參考面之下的體積進(jìn)行填方量計(jì)算；④將所有的填方和挖方疊加起來就可獲得總的填方量和挖方量。

2.2 邊坡坡度的計(jì)算

礦山開采邊坡一般以臨空順層邊坡為主，坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。一般來說，坡度越陡，臨空順層邊坡的穩(wěn)定性越差，也就更容易發(fā)生邊坡滑坡、垮塌等現(xiàn)象[13]。三維激光掃描技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)處理等流程獲得開采邊坡的坡度，進(jìn)而為分析邊坡穩(wěn)定性提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。邊坡坡度計(jì)算的原理包括：以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)建立相應(yīng)的參考平面，將某一點(diǎn)三維坐標(biāo)中的y值對(duì)應(yīng)至統(tǒng)一參考平面上，其垂直距離就是邊坡的高度H，坡度長(zhǎng)L可以表述為不同兩個(gè)點(diǎn)之間的距離與H和參考平面交點(diǎn)之間距離的平方差，則坡度為arctan(H/L)。

3 礦山開采邊坡形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 儀器設(shè)備及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

本文采用Riegl三維激光掃描儀(型號(hào)為VZ-400)對(duì)測(cè)量邊坡進(jìn)行掃描測(cè)量，設(shè)定掃描距離為100 m，精度可達(dá)2 mm。使用City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪等處理，進(jìn)而獲得能夠反映真實(shí)邊坡基本形態(tài)的邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見圖1)。

圖1 礦山開采邊坡云數(shù)據(jù)匹配

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是提高三維掃描測(cè)量精度的基礎(chǔ)，也是配準(zhǔn)、校對(duì)、去噪的過程。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要包括[14]：①點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和拼接，由于礦山開采邊坡的地形地貌條件復(fù)雜，因此在激光掃描過程中需要多次掃描才能完成測(cè)量任務(wù)，即需要多個(gè)站點(diǎn)掃描，此時(shí)需要利用相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的3個(gè)或者以上的同名控制標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，將不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至相同的坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接；②去噪處理，在使用三維激光掃描儀掃描過程中不可避免的包含了大量的冗余數(shù)據(jù)，即噪聲數(shù)據(jù)，包括建筑物、行人、樹木、車輛等，必須通過City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件將其處理，進(jìn)而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度(見圖2)。

圖2 濾波處理后的礦山邊坡點(diǎn)云

3.3 邊坡土石方量計(jì)算

本文在邊坡土石方量計(jì)算中采用City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件進(jìn)行，為了分析三維激光掃描技術(shù)在土石方量估算中的精度問題，本文采用靜態(tài)掃描點(diǎn)云體積和機(jī)載掃描點(diǎn)云體積的方法進(jìn)行對(duì)比(見表1)。計(jì)算結(jié)果表明：以靜態(tài)掃描點(diǎn)云體積為基礎(chǔ)獲得的最大高程為64.185 m，最小高程為30.665 m，參考面高程設(shè)置為29.995 m，最終獲得挖方體積為86 431.112 m3，總的堆積面積可達(dá)7 952.326 m2，堆積寬度為85.513 m，堆積長(zhǎng)度為96.102 m；以機(jī)載掃描點(diǎn)云體積為基礎(chǔ)獲得的最大高程為66.524 m，最小高程為30.716 m，參考面高程設(shè)置為29.995 m，最終獲得挖方體積為84 431.611 m3，總的堆積面積可達(dá)7 552.623 m2，堆積寬度為81.515 m，堆積長(zhǎng)度為96.904 m。通過兩種方法獲得的土石方量存在一定的差異，二者獲得的填挖方體積之差為1 999.501 m3，計(jì)算誤差為2.3%，在誤差允許范圍內(nèi)。因此，使用三維激光掃描技術(shù)計(jì)算礦山開采邊坡土石方量是可靠的，能夠推廣使用該技術(shù)。

3.4 邊坡形變監(jiān)測(cè)分析

礦山開采邊坡形變監(jiān)測(cè)是提高礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是提高預(yù)警效率的前提。礦山邊坡形變監(jiān)測(cè)是通過一定時(shí)間周期的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用上述的處理方法計(jì)算邊坡的土石方量、坡度等，進(jìn)而通過不同時(shí)間段獲得額點(diǎn)云數(shù)據(jù)的土石方量變化量、坡度變化量以及高程變化等確定的。一般來說，土石方量、坡度、高程等變化量越大，開采邊坡越容易出現(xiàn)滑坡、垮塌等災(zāi)害。

表1 基于不同方法的邊坡土石方測(cè)量計(jì)算統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜的礦山邊坡環(huán)境中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量速度快和精度高的優(yōu)勢(shì)；與InSAR技術(shù)、遙感技術(shù)等相比，三維激光掃描技術(shù)具有受環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)向自動(dòng)化、數(shù)字化、快速化發(fā)展成為發(fā)展趨勢(shì)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)多樣化、社會(huì)化發(fā)展是今后主要的方向。但是，三維激光掃描技術(shù)也存在較大的弊端，如點(diǎn)云數(shù)據(jù)中噪聲去除等，對(duì)測(cè)量精度的影響較大。