張 雪

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553000）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)不可獲取的原材料之一，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其需求總量和礦產(chǎn)資源類型逐漸發(fā)生變化[1]。

現(xiàn)階段，隨著地表礦產(chǎn)資源的利用殆盡，逐漸向深部推進(jìn)，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源的開發(fā)難度逐漸增加，進(jìn)而造成一定的安全事故[2]。雖然我國(guó)相關(guān)部門加大力度督導(dǎo)，同時(shí)礦山企業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)極為重視，但仍不可避免的出現(xiàn)了一定的安全事故。因此，這就要求對(duì)礦山形變監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。常見的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)方法較多，如GPS、InSAR、GNSS、三維激光掃描技術(shù)、CORS等[3-5]。

由于研究區(qū)地形地貌變化較大，導(dǎo)致采用InSAR、GNSS、CORS等技術(shù)過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大，進(jìn)而引起監(jiān)測(cè)精度的降低[4]。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)具有干擾因素少、精度快和測(cè)量快等優(yōu)勢(shì)，故本文選擇該方法在某金屬礦山開采邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用，為進(jìn)一步研究該開采邊坡的形變規(guī)律提供參考。

1 三維激光掃描技術(shù)基本原理

三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)代會(huì)新型測(cè)繪技術(shù)的代表之一，是以三維激光掃描儀為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，集成了掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、內(nèi)部校正以控制系統(tǒng)、CCD系統(tǒng)等[6]。三維激光掃描技術(shù)中最為重要的就是激光測(cè)距系統(tǒng)，包括激光脈沖測(cè)距、相位干涉法測(cè)距以及三角法測(cè)距等方法類型。其中，最為常用的方法是激光脈沖測(cè)距法。

激光脈沖測(cè)距是三維掃描測(cè)量技術(shù)中最為常用的一種方法，具有測(cè)量速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)，其工作原理主要為：以三維激光掃描儀中的激光二級(jí)發(fā)射裝置發(fā)生具有周期性的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量區(qū)域快速掃描目的，當(dāng)發(fā)生的周期性脈沖信號(hào)接觸到被測(cè)區(qū)域內(nèi)的地物時(shí)，就可通過(guò)地物表面產(chǎn)生反射信號(hào)，當(dāng)掃描儀中的接收透鏡接收反射信號(hào)后，可根據(jù)周期性信號(hào)的發(fā)射與反射時(shí)間、路徑等計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即通過(guò)三維激光掃描快速的獲取被測(cè)區(qū)域分布較均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。

為了更直觀的表達(dá)該原理，將被測(cè)目標(biāo)體記作P，將三維激光掃描儀的測(cè)量距離記作S，將掃描儀鏡頭在垂直方向的觀測(cè)角度記作θ，將水平方向上的觀測(cè)角記作α（圖1），則被測(cè)目標(biāo)體P的三維坐標(biāo)為P（X，Y，Z），其計(jì)算公式為：

圖1 激光脈沖測(cè)距基本原理示意圖

2 礦山邊坡主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

三維激光掃描技術(shù)在邊坡形變監(jiān)測(cè)中具有較為廣泛的應(yīng)用實(shí)例，并取得了較好的應(yīng)用成效。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山形變監(jiān)測(cè)中，其原理一致，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容可分為以下幾個(gè)方面。

2.1 邊坡坡度的計(jì)算

礦山開采邊坡坡度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。因此，邊坡坡度的監(jiān)測(cè)計(jì)算是形變監(jiān)測(cè)中的重要內(nèi)容，是評(píng)價(jià)該開采邊坡是否穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

為提高資源利用效率，礦山開采邊坡多以高度角為主，且以臨空順層邊坡較為常見，容易引起邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而造成邊坡滑坡、坍塌等現(xiàn)象[8]。三維激光掃描技術(shù)能夠較快速的獲取被測(cè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)系列數(shù)據(jù)處理就可快速的獲取邊坡準(zhǔn)確的坡度等數(shù)據(jù)，進(jìn)而為邊坡穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。使用三維激光掃描技術(shù)獲取開采邊坡坡度的原理主要為：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)建立相應(yīng)的參考平面，將邊坡中某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)中的Y至投影至該平面上，此時(shí)垂直方向的距離就是邊坡的高度H，坡度長(zhǎng)L為不同兩個(gè)點(diǎn)之間的距離與H和參考面交點(diǎn)之間的距離，由此得出坡度為arctan(H/L)。

2.2 邊坡土石方量的計(jì)算

邊坡圖示方量的計(jì)算是評(píng)估開采邊坡失穩(wěn)后誘發(fā)災(zāi)害范圍的主要指標(biāo)之一，也是編制治理方案的主要依據(jù)。因此，邊坡土石方量的計(jì)算是邊坡監(jiān)測(cè)的重要目的之一。邊坡土石方量計(jì)算方面主要包括規(guī)則三角網(wǎng)格法和不規(guī)則三角網(wǎng)格法，前者對(duì)數(shù)據(jù)的要求較高，適用于邊坡形態(tài)較為規(guī)則的監(jiān)測(cè)中，其精度較高；后者利用不規(guī)則的三角網(wǎng)格，能夠有效地提高不規(guī)則形開采邊坡的監(jiān)測(cè)精度。故本文主要利用不規(guī)則三角網(wǎng)格法對(duì)開采邊坡的土石方量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使用該方法計(jì)算開采邊坡土石方量的主要步驟可分為：①根據(jù)三維掃描所獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立不規(guī)則的三角網(wǎng)格，即TIN網(wǎng)格；②以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)建立相應(yīng)的參考平面，進(jìn)一步對(duì)位于參考平面之上的開挖體積進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于位于參考平面之下的體積進(jìn)行填方計(jì)算；③將計(jì)算模型中的開挖體積與填方體積疊加，就可獲得相應(yīng)的填方量和挖方量。

3 在礦山邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)為一矽卡巖型銅鉛鋅多金屬礦床，早期開采方式以露采為主，形成了較大規(guī)模的開采邊坡。加之該區(qū)域降水量較大，導(dǎo)致部分邊坡失穩(wěn)滑坡，對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成了一定的威脅。

鑒于此，本文使用型號(hào)為VZ-400的Riegl三維激光掃描儀，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行掃描測(cè)量。根據(jù)測(cè)繪范圍以及邊坡分布特征，確定本次的掃描距離為100m，此時(shí)該設(shè)備的精度為2mm，理論精度可以達(dá)到預(yù)期要求。

同時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去噪聲等處理，就可獲得能夠反映真實(shí)邊坡基本形態(tài)的邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 研究區(qū)邊坡云數(shù)據(jù)匹配圖

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是提高監(jiān)測(cè)精度的基礎(chǔ)，也是降低干擾因素的主要途徑[9]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理等流程，因此，總體上點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理流程主要包括：

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和拼接是基礎(chǔ)，由于研究區(qū)為一矽卡巖型銅多金屬礦床，且礦區(qū)地形地貌變化較大，導(dǎo)致邊坡形態(tài)較為不規(guī)則，故在開展三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)程中需要進(jìn)行多次掃描，才能獲得較高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，即在掃描過(guò)程中應(yīng)需要多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描，此時(shí)就造成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)不統(tǒng)一，需要進(jìn)行配準(zhǔn)[10]。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過(guò)程中，主要利用了相鄰兩個(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)的配準(zhǔn)，可將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至相同坐標(biāo)系統(tǒng)下，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與拼接。

（2）去噪處理。使用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基本原理中，利用了發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的時(shí)間差，此時(shí)包含了大量的冗余數(shù)據(jù)，主要包括樹木、植被、行人、建筑物、車輛等，故需要將上述冗余數(shù)據(jù)剔除，才能夠獲得更精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪處理可借助City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類，將飛點(diǎn)等剔除，就可獲得較高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在完成上述操作的基礎(chǔ)上，就可獲得更加貼合實(shí)際的邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，可獲得邊坡土石方量、邊坡坡度以及邊坡形變特征等。

3.3 邊坡土石方量計(jì)算

本次采用City Sence激光點(diǎn)云繪制軟件對(duì)研究的邊坡土石方量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，為了對(duì)比研究該方面在土石方量計(jì)算過(guò)程中的精度問(wèn)題，本次采用兩種不同的方法進(jìn)行對(duì)比，即機(jī)載掃描點(diǎn)云體積和靜態(tài)掃描點(diǎn)云體積方法，其計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同方法的邊坡土石方量計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

由表1計(jì)算結(jié)果可知：本次使用動(dòng)態(tài)掃描點(diǎn)云體積法所獲得的最小開采高程為30.72m，最大開采高程為66.52m，按照統(tǒng)一的參考平面高程30.00m計(jì)算，最終獲得填挖方體積為80167.96m3，此時(shí)堆積面積可達(dá)7552.62m2，堆積長(zhǎng)度為96.90m，堆積寬度為81.52m；使用靜態(tài)掃描點(diǎn)云體積法所獲得的最小開采高程為30.67m，最大開采高程為64.19m，按照統(tǒng)一的參考平面高程30.00m計(jì)算，最終獲得填挖方體積為86427.67m3，此時(shí)堆積面積可達(dá)7952.33m2，堆積長(zhǎng)度為96.10m，堆積寬度為85.51m。同時(shí)，本次試驗(yàn)不同方法所獲數(shù)據(jù)的誤差介于-3.64%～7.24%之間，均小于10%，在誤差允許范圍內(nèi)。

綜上所述，使用三維激光掃描技術(shù)能夠較快速的獲取礦山開采邊坡監(jiān)測(cè)結(jié)果，且精度較高，具有較好的推廣使用潛力。

3.4 邊坡形變監(jiān)測(cè)分析

礦山開采邊坡坡度以及土石方量的模擬計(jì)算的最終目的是評(píng)價(jià)開采邊坡的穩(wěn)定性，即礦山邊坡監(jiān)測(cè)的最終目的是分析該邊坡失穩(wěn)的概率以及造成的危害范圍等，是礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

此時(shí)，可以通過(guò)一定時(shí)間間隔內(nèi)的或者一定周期內(nèi)的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)相同的數(shù)據(jù)處理方法獲取邊坡坡度、土石方量等數(shù)據(jù)，就可獲得不同時(shí)段內(nèi)的坡度變化量、高程變化量等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得出邊坡失穩(wěn)的運(yùn)移方向等。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次使用三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜礦山邊坡監(jiān)測(cè)中取得了較好的成效，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，該方面具有操作簡(jiǎn)單、外業(yè)工作量、數(shù)據(jù)處理快和精度高的優(yōu)勢(shì)；與InSAR、GNSS、CORS等測(cè)量方法相比，具有受測(cè)繪環(huán)境影響因素小的優(yōu)勢(shì)。

因此，在礦山邊坡監(jiān)測(cè)中具有較好的應(yīng)用前景。此外，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)中存在的數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題可得到較大的改善，如噪聲剔除質(zhì)量等，對(duì)提升測(cè)量精度意義重大。