趙文奎 陶孟德 陳 旭 陳金瑞

（西部礦業(yè)集團西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司）

三維激光掃描技術被譽為是繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命［1］。三維激光掃描技術是目前國際上最先進的獲取地面空間多目標三維數據的長距離影像測量技術，它將傳統測量系統的點測量擴展到面測量，可以深入到復雜的現場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型、復雜實體的三維數據完整地采集到計算機中，進而快速重構出目標的三維模型及點、線、面、體等各種幾何數據［2］。玉龍銅礦月度工程量驗收及現狀圖測量采用傳統方法GPS-RTK，該方法只能進行單點數據的采集，測量人員工作強度大、效率低，而且數據采集密度和精度受人為影響較大，一些平臺坡面角較大且存在浮石、傘巖等現象，存在一定安全隱患。鑒于上述情況，玉龍銅礦于2018年底引進了Maptek I-Site XR3三維激光掃描儀，主要應用于現狀圖測量、工程量驗收、邊坡穩(wěn)定性檢測、地質編錄等工作，工作效率、質量、精度、安全性等各方面較傳統方法有了大幅度提升。

1 礦山概況

玉龍銅礦屬于特大型露天礦山，銅金屬儲量達658萬t，是國內最大的單體銅礦，礦區(qū)位于西藏自治區(qū)昌都市江達縣境內，礦區(qū)海拔高度4 560～5 124 m。目前正在進行改擴建工程，基建剝離及生產采剝平臺共計40個，采剝區(qū)域面積約4.0 km2。達產后出礦量約1 989萬t/a，采剝總量約2 200萬m3/a。

2 設備參數及工作原理

Maptek I-Site XR3三維激光掃描儀是一款能夠適應高寒地區(qū)的長距離測量儀器，其主要應用領域為大型露天礦山，考慮到礦山工作環(huán)境，該設備防護等級為IP65，能夠適應最低溫度為-40℃，加之其一體化的設計，大大提高了對惡劣環(huán)境的適應。具體參數見表1。

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三維激光掃描的主要原理為激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿相同的路徑反射傳回到接收器，通過計算目標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，從而得出目標點的空間直角坐標Xp、Yp、Zp［3-6］。原理如圖1所示。

3 工程量驗收流程

3.1 現場踏勘

為避免在礦山工程量驗收時出現盲區(qū)、重復掃描、掃描距離過大等現象，驗收前應對礦區(qū)進行實地踏勘，以確定最佳掃描路線，同時對測站數目和位置進行初步設置，確定掃描范圍［7］。由于玉龍銅礦目前大部分采剝區(qū)域為山坡露天礦，坡面及山谷區(qū)域所需測站數較少，山脊區(qū)域需要測站數較多，整體需要測站數目約20站。測站布置如圖2所示。

3.2 數據采集

設備內置測量型望遠鏡，采用類似全站儀的操作模式，可以實現絕對坐標測量，如果所有掃描數據都通過望遠鏡進行后視定向操作，則后期數據無需拼接，可大大提高內業(yè)效率，并提高數據精度。數據采集速率有50、100、200 kHz 3種，目前主要采用100 kHz，需要時間約4 min/站。數據采集時可以通過工業(yè)級平板電腦控制，數據可實時傳輸至平板電腦，并可實時三維查看點云數據，及時了解數據質量，及時補測數據盲區(qū)。

3.3 數據處理

原始采集點數據量約500萬個，由于采集的原始點云數據中存在地表設備、人員、植被、積雪及空間粉塵等，且點數據較為密集，故不能直接應用于模型建立，需通過配套軟件PointStudio對20個測站數據利用重復點進行定向配準，然后對點云數據進行干擾點剔除、過濾、抽稀等操作［8］，處理后點云數據量約56萬個，點云數據處理質量直接影響工程量計算的準確性。點云數據處理前后剖面對比見圖3，處理后全局點云數據見圖4。

3.4 三維模型建立

PointStudio軟件對處理過的點云數據可自動生成三維實體模型，經過消峰處理后，可真實反映礦山地形現狀。同時，PointStudio軟件可根據生成的礦山三維模型自動生成等高線、坡頂線、坡底線，方便后期圖件的編制［8］。三維實體模型及等高線見圖5。

3.5 工程量計算

在PointStudio軟件中將兩期三維模型疊放并進行全局配準，一般配準范圍為2～1 500 m，最終平均取樣均方根間隔達到20～30 cm，即能滿足工程量計算要求。并根據不同礦巖類型、平臺、剝離范圍等圈定采剝帶，目前月度采剝帶數量50～80個，圈定后根據不同采剝帶自動生成工程量報告。兩期數據全局配準前后剖面對比見圖6，兩期疊加及采剝帶范圍圈定見圖7。

4 Maptek I-Site XR3與GPS-RTK綜 合 對比

針對玉龍銅礦采礦區(qū)月度工程量驗收，將GPSRTK與Maptek I-Site XR3進行了對比［9］，相比GPSRTK采集的點位數據，Maptek I-Site XR3采集的點云數據更能真實地反應出復雜地形的現狀，確保驗收數據的準確性。相關參數對比見表2。

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5 工程量復核成果

為保證礦山采剝工程量驗收數據準確性，玉龍銅礦每半年邀請具有測繪資質的第三方單位對礦山采剝工程量進行復核，第三方復核單位使用同型號三維激光掃描儀。月度驗收總量與半年度復核總量偏差在±3%（包括3%）以內，以月度驗收量為準，否則以復核工程量修正月度驗收累計工程量。截至目前共計復核3次，偏差均在±3%以內。工程量復核明細詳見表3。

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6 結論

MAPTEK I-Site XR3三維激光掃描儀應用于露天礦山工程量驗收工作需要重點注意的環(huán)節(jié)：①根據地形進行站點布置，避免出現掃描盲區(qū)；②定向配準，提示“配準成功”即可；③點云數據的剔除、過濾、抽稀等操作處理；④全局配準，最終平均取樣均方根間隔數據需達到精度要求；⑤嚴格按照實際采剝范圍圈定采剝帶，范圍線偏移會影響采剝工程量數據。

實踐證明，MAPTEK I-Site XR3三維激光掃描儀通過非接觸式測量，在保障測量人員安全的前提下，能夠快速采集采區(qū)點云數據，通過海量點云數據三維重構，建立礦山現狀模型，可以實現露天采礦區(qū)工程量的快速驗收，具有獲取數據速度快、精度高、全自動化、全天候作業(yè)等特點［10-11］，尤其在大型露天礦山，在提高測量工作效率的同時能夠最大限度地還原采區(qū)地形現狀，一方面保證了驗收工程量的準確性，另一方面可為后期采礦、地質、測量工作提供可靠、真實、高精度的基礎數據，從效率、安全、質量等方面均能滿足露天礦山工程量驗收及日常測量工作需求。