鄭祖發(fā)，杜力立

（中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是利用激光進(jìn)行快速掃描，來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)的測(cè)量，測(cè)量過(guò)程具有持續(xù)性和全面性的特點(diǎn)。測(cè)量目標(biāo)的空間信息可以通過(guò)此技術(shù)完成快速獲取，并且目標(biāo)坐標(biāo)信息的獲取量較大，測(cè)量信息的精準(zhǔn)性也可以得到保證，有利于構(gòu)建出測(cè)量目標(biāo)的三維立體模型，模型的精準(zhǔn)程度也比較高。

激光測(cè)距原理和網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)字建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)測(cè)量和建模工作的兩種核心技術(shù)。①激光測(cè)距與人工測(cè)距相對(duì)比來(lái)說(shuō)精準(zhǔn)度更高，使用連續(xù)激光器或者脈沖激光器將光發(fā)射出去，通過(guò)光反射原理實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，三維激光掃描誤差較小，并且可以對(duì)側(cè)面目標(biāo)點(diǎn)位的信息進(jìn)行獲取，不僅可以有效避免人工測(cè)量造成的誤差，還能夠有效解決單點(diǎn)測(cè)量信息量不足的問(wèn)題，使用三維激光掃描技術(shù)創(chuàng)建出的模型與實(shí)際地形基本保持一致，分辨率也比較高[1]。②通過(guò)激光測(cè)距可以獲取到大量信息，對(duì)這些進(jìn)行處理時(shí)就可以用到網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和數(shù)字建模技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以將三維激光掃描設(shè)備獲取到的信息進(jìn)行傳輸，然后集中整理，并且在數(shù)字建模軟件中輸入這些信息，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建模，讓建模工作的效率得到大幅提升。

2 礦山測(cè)繪分析

準(zhǔn)確率高和方便快捷是三維激光掃描技測(cè)繪技術(shù)最為主要的特點(diǎn)，三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量方法是架設(shè)三腳架來(lái)完成礦山各方面數(shù)據(jù)的采集工作，并且將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單高速處理，以此獲取礦山的三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的有效應(yīng)用能夠?qū)⒌V山外部的建站時(shí)間進(jìn)行較大程度的縮減，十分高效的完成礦山內(nèi)部和外部的三維模型建立工作，與傳統(tǒng)的人力測(cè)繪技術(shù)相比較來(lái)說(shuō)，具有很好的展示礦山情況的優(yōu)點(diǎn)，有利于礦山測(cè)繪工作效率的提升。

在進(jìn)行礦山開(kāi)采測(cè)量工作中，必須要保證控制點(diǎn)的精度準(zhǔn)確性，測(cè)量工作人員需要科學(xué)的控制礦山測(cè)量的精度，確保礦山測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。平面控制網(wǎng)根據(jù)礦山的范圍大小和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，選擇不同等級(jí)的GPS控制網(wǎng)作為首級(jí)控制網(wǎng)，再采用不同等級(jí)的導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行加密，導(dǎo)線測(cè)量時(shí)，盡量將GPS點(diǎn)作為已知點(diǎn)加以測(cè)量，按照閉合導(dǎo)線的要求測(cè)量，平差以后的成果才有更高的精度。高程控制測(cè)量根據(jù)精度需要，選擇不同的測(cè)量等級(jí)，一般情況下，采用三角高程和水準(zhǔn)測(cè)量的方法進(jìn)行高程控制測(cè)量。

礦山測(cè)量技術(shù)是屬于GPS技術(shù)的一種，具有非常高的數(shù)據(jù)測(cè)量精度，在礦山局部的數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中，能夠?qū)ΦV山數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集與更新，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山局部的測(cè)量，又能夠完成礦山整體數(shù)據(jù)的測(cè)量。對(duì)礦山測(cè)量的信息系統(tǒng)不斷進(jìn)行完善，讓礦山維護(hù)、儲(chǔ)存和管理功能得到進(jìn)一步提升，從而實(shí)現(xiàn)礦山的科學(xué)化管理。

3 礦山測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

由于三維激光掃描技術(shù)具有高效性、便利性和高精度三個(gè)特點(diǎn)，在礦山測(cè)繪工作中應(yīng)用此技術(shù)就有很大優(yōu)勢(shì)。

3.1 高效性

利用三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)吸c(diǎn)位信息實(shí)現(xiàn)快速獲取，僅需要幾毫秒的時(shí)間，并且對(duì)實(shí)施環(huán)境沒(méi)有太高的要求，具有較長(zhǎng)的有效測(cè)量距離，也不需要太復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，幾分鐘內(nèi)就可以完成測(cè)量前的準(zhǔn)備工作，在具體的測(cè)量過(guò)程中也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，整體測(cè)量工作可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，此外，在測(cè)量過(guò)程中工作人員無(wú)需近距離接觸測(cè)量目標(biāo)，有利于前期的準(zhǔn)備時(shí)間進(jìn)一步縮短。

3.2 便利性

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的三維激光掃描設(shè)備，基本都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化輸出，通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)能夠直接完成數(shù)據(jù)傳輸工作，使得人工處理數(shù)據(jù)的工作量得到降低，大大提升了礦山測(cè)繪工作的效率。

3.3 高精度

三維激光掃描技術(shù)具有掃描距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，并且在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中得到的點(diǎn)位數(shù)據(jù)誤差非常小，一般情況下都會(huì)低于2mm，所以在開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)無(wú)需特意處理測(cè)量目標(biāo)表面，也不需要驗(yàn)證核對(duì)測(cè)量后所得到的數(shù)據(jù)信息，可以直接對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行利用，有效避免了人工處理數(shù)據(jù)信息可能會(huì)出現(xiàn)誤差的問(wèn)題。

4 三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用

4.1 三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

三維掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中主要應(yīng)用在以下三種領(lǐng)域中：①未開(kāi)采或已經(jīng)開(kāi)采礦區(qū)的三維模型構(gòu)建，可以直接利用礦區(qū)地表點(diǎn)位數(shù)據(jù)云對(duì)未開(kāi)采礦區(qū)進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，過(guò)程較為簡(jiǎn)單，相對(duì)比來(lái)說(shuō)，已經(jīng)開(kāi)采的礦區(qū)模型建立就比較復(fù)雜，首先需對(duì)礦區(qū)進(jìn)行掃描，在這個(gè)掃描的過(guò)程中需要將三維測(cè)量設(shè)備安置在礦區(qū)巷道內(nèi)，進(jìn)行巷道模型的構(gòu)建，而此模型構(gòu)建的過(guò)程與外部三維模型構(gòu)建相對(duì)比來(lái)說(shuō)速度較慢，效率不高，造成這種情況的主要原因是受到外部測(cè)量條件的限制較大。雖然效率較慢，但它具有較高的安全性，確保整個(gè)測(cè)量過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)安全危險(xiǎn)。②礦區(qū)開(kāi)挖體積計(jì)算，主要是在露天開(kāi)采的環(huán)境中應(yīng)用，對(duì)于露天礦區(qū)來(lái)說(shuō)，開(kāi)采位置和非開(kāi)采位置之間存在較大區(qū)別，區(qū)域特性可以通過(guò)激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行識(shí)別，能夠有效將需要開(kāi)挖的體積進(jìn)行確定[2]。此外，對(duì)分時(shí)模型進(jìn)行有效利用可以進(jìn)行對(duì)比觀察，能夠?qū)⒌V山開(kāi)采的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)和已開(kāi)挖體積進(jìn)行進(jìn)一步的確定，具有比較高的計(jì)算精度，得出的結(jié)果也可以在開(kāi)采計(jì)劃、開(kāi)采產(chǎn)量和產(chǎn)能等方面進(jìn)行有效運(yùn)用。③對(duì)于采空區(qū)的整理和防護(hù)，礦山開(kāi)采會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成較大的破壞，尤其是采空區(qū)存在更大的危險(xiǎn)，采空區(qū)可以為作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)難以在采空區(qū)進(jìn)行有效利用，也存在較大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，而三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)這種障礙進(jìn)行有效消除，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的精準(zhǔn)測(cè)量，并且可以把技術(shù)支持提供給采空區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，從而使作業(yè)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

4.2 三維激光掃描技術(shù)基本應(yīng)用流程

三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)繪中的應(yīng)用分為下面三個(gè)環(huán)節(jié)：①通過(guò)三維激光掃描設(shè)備對(duì)礦山的點(diǎn)位信息、測(cè)量面以及地質(zhì)信息等進(jìn)行快速獲取。首先，利用人工觀察將礦山的大致地質(zhì)環(huán)境確定下來(lái)，將掃描設(shè)備的測(cè)繪參數(shù)設(shè)定好，比如探頭、待采礦藏和實(shí)際執(zhí)行范圍等，確保礦山位置信息能夠通過(guò)測(cè)繪信息反映出來(lái)。接下來(lái)進(jìn)行激光掃描，對(duì)礦山待測(cè)面的三維點(diǎn)位信息進(jìn)行獲取。②三維立體模型建立工作。通過(guò)測(cè)量工作獲取來(lái)的大量點(diǎn)位地質(zhì)信息和三維信息，利用GPS系統(tǒng)完成定位，將礦山待測(cè)表面的立體圖像構(gòu)建出來(lái)，由此呈現(xiàn)出整體的礦山三維模型，有利于開(kāi)采作業(yè)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，還能夠幫助作業(yè)檢測(cè)和試供暖人員對(duì)礦山地質(zhì)范圍和作業(yè)環(huán)境進(jìn)行更加透徹的了解，從而促進(jìn)礦山開(kāi)發(fā)效率和安全管理水平的提升。③以獲取到的三維立體模型為依據(jù)，對(duì)礦山信息和數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行更加豐富的擴(kuò)建，并對(duì)三維激光掃描技術(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效利用，從而將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立起來(lái)。另外，對(duì)礦山初始數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，用于采空區(qū)監(jiān)控、開(kāi)采作業(yè)位置監(jiān)控和開(kāi)采量計(jì)算等工作，從而實(shí)現(xiàn)礦山的綜合性數(shù)字化管理目標(biāo)。

4.3 礦區(qū)管理的三維立體化

4.3.1 礦區(qū)地表三維模型的建立

三維激光掃描技術(shù)可以為礦區(qū)地表三維模型的建立提供豐富的數(shù)據(jù)信息，對(duì)相關(guān)建筑設(shè)施進(jìn)行掃描，獲得準(zhǔn)確的點(diǎn)云信息，將三維模型建立目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。不同模型的屬性可以通過(guò)專門的軟件來(lái)確定，能夠?qū)?zhǔn)確的信息提供給礦山管理工作，有利于管理工作的順利進(jìn)行。另外，還可在建立的模型中科學(xué)運(yùn)用索引目錄，方便有需要的工作人員對(duì)模型進(jìn)行查看，只需電機(jī)目錄索引，就可以快速進(jìn)入有關(guān)的界面，使得礦山管理的數(shù)字化程度得以提升。

4.3.2 直觀展現(xiàn)礦區(qū)地下巷道情況

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以收集礦區(qū)巷道內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，還能準(zhǔn)確掃描到微小的變化。然后獲取具體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，通過(guò)建立三維模型來(lái)講巷道的實(shí)際情況真實(shí)的反映出來(lái)。此外，還可以實(shí)時(shí)掌握巷道內(nèi)的實(shí)際工作情況，將礦區(qū)地下巷道場(chǎng)景進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，能夠進(jìn)行巷道內(nèi)設(shè)施和設(shè)備的掃描工作，進(jìn)而建立相關(guān)模型，對(duì)具體情況進(jìn)行直觀的了解。還可以與通訊設(shè)備相結(jié)合，確保具體信息能夠被及時(shí)了解和掌握。以巷道模型為基礎(chǔ)，可以對(duì)人員的具體位置進(jìn)行立體定位，掌握工作人員的實(shí)際工作進(jìn)度，并在此模型中確定相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，讓監(jiān)測(cè)工作的可視化和立體化得以實(shí)現(xiàn)。

4.4 礦區(qū)Web點(diǎn)云的瀏覽和量算

三維激光掃描技術(shù)對(duì)礦山點(diǎn)云信息的獲取有很大幫助，此技術(shù)配備的照相設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山紋理的有效采集，并通過(guò)專門的軟件設(shè)備來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，最終形成Web點(diǎn)云，從而將礦山的實(shí)際情況展現(xiàn)出來(lái)。此外，對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以利用，通過(guò)三維形式將礦山的具體情況進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，還可以呈現(xiàn)出具體的實(shí)景顏色。通過(guò)相關(guān)設(shè)備了解礦山的具體情況還具有較好的量算作用，能夠得出比較適用的結(jié)果，從而讓礦山的精準(zhǔn)化管理?yè)碛辛藬?shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前的礦山測(cè)量工作中，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)，利用此種技術(shù)在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)可以不用接觸到測(cè)量目標(biāo)，在復(fù)雜地質(zhì)的測(cè)量作業(yè)中具有很大的應(yīng)用空間，并且能夠保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。