劉天奇

（中化地質(zhì)礦山總局福建地質(zhì)勘查院 福建福州 350013）

0 引言

隨著智能礦山理念的發(fā)展， 借助現(xiàn)代化科學(xué)設(shè)備例如三維激光掃描儀， 開展露天礦山測(cè)量成為當(dāng)前行業(yè)主流的應(yīng)用方式。 智能化礦山測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用，一方面極大提升了傳統(tǒng)礦山測(cè)量工作的效率和質(zhì)量， 另一方面為露天礦山其他工程的應(yīng)用提供重要的參考。

1 長(zhǎng)測(cè)距三維激光掃描儀的測(cè)量原理

1.1 長(zhǎng)測(cè)距三維激光掃描儀的組成以及坐標(biāo)反算理論

三維激光掃描儀，主要由激光測(cè)距系統(tǒng)、影像掃描系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)以及內(nèi)部攝像系統(tǒng)等相關(guān)核心構(gòu)件組成。 其測(cè)量工作的核心功能為距離測(cè)量， 借助不同點(diǎn)位與目標(biāo)之間的距離進(jìn)行反算得出三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)距離的有效計(jì)算。 三維激光掃描儀， 通常是按照既定的旋轉(zhuǎn)軌跡以及間隔發(fā)射的掃描激光，以某種特定角度進(jìn)行掃描。以α 與β 代表水平角度與垂直角度，借助測(cè)量激光從發(fā)射、反射、接收等相關(guān)過程的總體時(shí)間t，來確定目標(biāo)物與掃描儀的具體距離，如式（1）～（3）所示，結(jié)合圖1 進(jìn)行計(jì)算。

圖1 三維激光掃描儀坐標(biāo)計(jì)算圖

1.2 長(zhǎng)測(cè)距三維激光掃描儀的基本測(cè)距原理

通過對(duì)三維激光掃描儀設(shè)備的系統(tǒng)化分析， 其設(shè)備的測(cè)距原理，主要分為脈沖式、相位式以及三角式等3 種形式，其中脈沖式測(cè)距原理是最為常見的應(yīng)用模式。 主要依據(jù)測(cè)量脈沖信號(hào)的往返時(shí)間t 與脈沖信號(hào)在空氣中的傳播速度v 進(jìn)行計(jì)算分析。 通常計(jì)算公式參考式（4）：

在測(cè)試過程中，為了提升脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，尤其是往返時(shí)間的準(zhǔn)確性， 工作人員需要借助三維激光掃描儀的內(nèi)部額外增加一個(gè)脈沖計(jì)算器進(jìn)行輔助運(yùn)算， 特別是脈沖信號(hào)處于發(fā)射階段時(shí)，極有可能會(huì)讓設(shè)備觸發(fā)計(jì)數(shù)功能。 當(dāng)信號(hào)返回時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)停止功能，特別是脈沖計(jì)數(shù)器數(shù)量為N時(shí)，脈沖頻率為F 設(shè)定，可以計(jì)算出脈沖時(shí)間t，計(jì)算公式為：

1.3 長(zhǎng)測(cè)距三維激光掃描儀儀器參數(shù)

長(zhǎng)測(cè)距三維激光掃描儀儀器參數(shù)數(shù)據(jù)可以參考表1。

表1 長(zhǎng)距離三維激光掃描儀儀器參數(shù)列表

2 露天礦山測(cè)量實(shí)踐應(yīng)用

2.1 工程概況

以某礦山工程為案例，相關(guān)內(nèi)容的測(cè)量工作，選用三維激光掃描儀開展測(cè)量驗(yàn)收工作。 礦山屬于露天銅礦，采礦面積約為1.66 km2，礦山西面、背面存在林賽湖，東面靠山，在采礦區(qū)的南部、北部的植被相對(duì)茂盛，東部以及西部較為稀疏，具體測(cè)區(qū)的落差最大值為240 m。 根據(jù)相關(guān)情況，采用三維激光掃描儀進(jìn)行采剝工程測(cè)量驗(yàn)收， 結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量的有效性與準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)踐分析。

根據(jù)三維激光掃描儀對(duì)礦山現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作的實(shí)際操作流程進(jìn)行分析，首先開展礦山測(cè)量數(shù)據(jù)采集工作。 利用三維激光掃描儀的測(cè)量功能， 在礦區(qū)四周視覺良好區(qū)域設(shè)定5 個(gè)不同控制點(diǎn)，利用礦山的CORS 基站，對(duì)5 個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量誤差控制在2 cm 以內(nèi)，同時(shí)確定相關(guān)點(diǎn)位的坐標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合三維激光掃描儀的測(cè)量流程， 對(duì)礦山目標(biāo)進(jìn)行2 期數(shù)據(jù)掃描，其中間隔時(shí)間以9 天最佳。 為了保證信息采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要結(jié)合不同時(shí)期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的校核，根據(jù)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)以及后視點(diǎn)坐標(biāo)的位置信息，采集5站的數(shù)據(jù)。 一期對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，二期需要在一期數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完善3 站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集工作。

2.3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代礦山測(cè)量工作的數(shù)據(jù)處理已經(jīng)完全交付相關(guān)電子軟件進(jìn)行處理， 本案例中采用Maptep 公司出品的數(shù)據(jù)處理軟件——點(diǎn)云處理軟件PointStudio， 為主要的數(shù)據(jù)分析軟件，結(jié)合數(shù)據(jù)匹配策略、噪點(diǎn)過濾功能、建模功能、放量計(jì)算、結(jié)算校核等相關(guān)內(nèi)容。

數(shù)據(jù)匹配是將不同站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)匹配， 由相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為絕對(duì)坐標(biāo)，借助三維激光掃描儀的測(cè)量模型，以內(nèi)部羅盤定位以及外部控制網(wǎng)控制點(diǎn)約束設(shè)備的測(cè)量模式。 其中外部控制網(wǎng)控制點(diǎn)測(cè)量模式較為精準(zhǔn)，定位準(zhǔn)確，不需要大量的數(shù)據(jù)匹配，就可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量。

激光掃描儀借助噪點(diǎn)過濾技術(shù)， 可以將其他無關(guān)內(nèi)容進(jìn)行有效過濾，同時(shí)還能夠降低測(cè)量數(shù)據(jù)的影響效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。 不同的過濾技術(shù)所產(chǎn)生的差異性同樣較大，特別是對(duì)應(yīng)的科學(xué)算法也存在巨大的差異性。 結(jié)合現(xiàn)代智能化過濾模式， 對(duì)具有一定特征的過濾群體可以實(shí)現(xiàn)智能化過濾模式，相關(guān)礦山測(cè)量工作技術(shù)人員，需要對(duì)過濾后的影像數(shù)據(jù)與過濾前的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析， 從而進(jìn)一步確定過濾內(nèi)容的有效性。

三維激光掃描儀數(shù)據(jù)對(duì)比， 是對(duì)當(dāng)前測(cè)量模型的具體狀態(tài)進(jìn)行分析，以三維立體模型為主要對(duì)比內(nèi)容，利用計(jì)算機(jī)將地表數(shù)據(jù)以模型的形式呈現(xiàn)， 同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行削峰處理、填洞、三角網(wǎng)編輯等操作，利用凹型地表進(jìn)行球面建模，結(jié)合特殊地點(diǎn)位置進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)的提取和分析，最終形成地表模型。在方量技術(shù)以及結(jié)構(gòu)表達(dá)過程中， 對(duì)2 期的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)處理，尤其是借助PointStudio 點(diǎn)云處理軟件中的基準(zhǔn)模式、計(jì)算模型、邊界參數(shù)等相關(guān)內(nèi)容，計(jì)算出二者的挖填方量［1］。

2.4 數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)應(yīng)的計(jì)算形式結(jié)合三維激光掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。 以某點(diǎn)位的測(cè)算數(shù)據(jù)對(duì)比，其中二者的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2 所示。 根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀的測(cè)算誤差較低，且不足3%，在允許誤差4%范圍內(nèi)［2］。

3 優(yōu)點(diǎn)及注意事項(xiàng)

3.1 與傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比的優(yōu)勢(shì)

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間短，利用三維激光掃描儀，開展長(zhǎng)距離激光測(cè)量工作，可以在方圓1 km 的露天礦區(qū)完成測(cè)量任務(wù)。 其中采集站點(diǎn)在5 站范圍可以輕松應(yīng)對(duì)，需要注意的是，每站的測(cè)量時(shí)間約為20 min， 并且要保證所有的測(cè)量時(shí)間控制在2 h內(nèi)完成，另外再包括車程以及準(zhǔn)備時(shí)間，初步計(jì)算僅僅需要數(shù)個(gè)小時(shí)就能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量工作的有效完成。 而傳統(tǒng)的測(cè)量方式，需要對(duì)目標(biāo)測(cè)量范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 以1＋2 的模式RTK 為例，大多需要5 個(gè)工作日才能完成測(cè)量工作，因此三維激光掃描儀極大提升測(cè)量效率， 減輕外業(yè)測(cè)量人員的工作壓力。

表2 三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測(cè)量方式測(cè)算數(shù)據(jù)對(duì)比

（2）由于利用激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)密度較高，同時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)極為龐雜。 相關(guān)人員在開展測(cè)量工作時(shí)，需要結(jié)合不同的地形條件以及相關(guān)位置信息進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。 由此可見，激光掃描進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其性能極為可靠。 而傳統(tǒng)的測(cè)量方式，大多根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以10 m 為1 個(gè)測(cè)量密度，點(diǎn)位代表性極為有限， 進(jìn)而彰顯出測(cè)量工作存在一定的局限性。

（3）激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其自動(dòng)化程度極高，不僅可以結(jié)合天氣、濕度、溫度、大氣壓等多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，同時(shí)還能滿足不同的定制化測(cè)量需求， 并且無需人工的操作和設(shè)定。 在露天礦山工程中，還能夠?qū)π枰攸c(diǎn)測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行個(gè)性化密集測(cè)量。 一方面，可以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，另一方面，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量項(xiàng)目不會(huì)出現(xiàn)漏測(cè)的問題產(chǎn)生。 自動(dòng)化程度高，不僅有效降低了問題的產(chǎn)生，還大比例地提升了測(cè)量的精準(zhǔn)性。

（4）新型三維激光掃描儀，無論是像素還是功能，都可以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)的實(shí)景測(cè)量， 從而在根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量工作的有效保障，另外借助高像素的測(cè)量功能，可以規(guī)避人工測(cè)量的失誤性和差異性， 從而保證測(cè)量工程可以切實(shí)有效地展開。 另外，借助原景還原模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)還原。

（5）三維立體建模。 傳統(tǒng)的測(cè)量方式是以二維數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量工作，而三維激光掃描儀的應(yīng)用，可以在三維圖像中完成對(duì)露天礦山的測(cè)繪工作，不僅立體感極為強(qiáng)烈，還能夠帶來強(qiáng)烈的直觀體驗(yàn)。

（6）減少人力資源。 傳統(tǒng)的測(cè)量方式需要大量的人力、物力，而三維激光掃描儀測(cè)量方式，不僅降低人工成本，還能夠在技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的測(cè)繪工作，尤其是一個(gè)人的測(cè)量工作就可以完成測(cè)繪工作，從而大大降低人工成本。

3.2 注意事項(xiàng)

（1）三維激光掃描儀大多質(zhì)量較重，因此在三腳架不夠穩(wěn)定的時(shí)候，極有可能造成設(shè)備摔落，從而造成損壞。

（2）三維激光掃描儀及其附近100 m 以內(nèi)，不能存在棱鏡，進(jìn)而造成激光發(fā)生器的損壞。

（3）三維激光掃描儀的測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，其后視點(diǎn)設(shè)置不能低于200 m。

（4）相關(guān)工作人員在搬運(yùn)三維激光掃描儀時(shí)，需要盡量避免下把手握住儀器，極有可能引發(fā)旋轉(zhuǎn)螺紋的損壞。

（5）三維激光掃描儀在測(cè)量高度時(shí)，需要注意測(cè)算基準(zhǔn)點(diǎn)，其中有正負(fù)的區(qū)別。

（6）三維激光掃描儀測(cè)量控制器應(yīng)該與設(shè)備的距離保持在10 m 范圍內(nèi)，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生跌勢(shì)［3］。

（7）天氣對(duì)于測(cè)量工作存在一定的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)的采集需要提高警惕。

4 結(jié)論

長(zhǎng)距離三維激光掃描儀，其測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量準(zhǔn)確性高、效果好，其相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，滿足露天礦山的基本測(cè)量需求，對(duì)今后其他礦山測(cè)量工作起到重要的參考作用。