張曉銘

摘? 要：該文詳細探討三維激光掃描儀與RTK技術(shù)在礦山測繪和數(shù)據(jù)集成中的聯(lián)合應(yīng)用。分析當前礦山測繪的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，以及現(xiàn)有的測繪方法和技術(shù)的優(yōu)點及局限性。詳細介紹三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的工作原理，以及它們在礦山測繪中的應(yīng)用實例和優(yōu)點。探討這2種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，包括其理論基礎(chǔ)、實際案例和可能出現(xiàn)的問題。討論這2種技術(shù)在數(shù)據(jù)集成中的作用，以及數(shù)據(jù)集成的實際案例和效果評估。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；RTK技術(shù)；礦山測繪；數(shù)據(jù)集成；聯(lián)合應(yīng)用

中圖分類號：TD178? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0189-04

Abstract： This paper discusses in detail the joint application of 3D laser scanner and RTK technology in mine surveying and mapping and data integration. This paper analyzes the current situation and challenges of mine surveying and mapping， as well as the advantages and limitations of the existing surveying and mapping methods and technologies. The working principle of 3D laser scanner and RTK technology， as well as their application examples and advantages in mine surveying and mapping are introduced in detail. The joint application of these two technologies is discussed， including their theoretical basis， practical cases and possible problems. This paper discusses the role of these two technologies in data integration， as well as the actual cases and effect evaluation of data integration.

Keywords： 3D laser scanner; RTK technology; mine surveying and mapping; data integration; joint application

礦山測繪是礦山工程中的一項關(guān)鍵任務(wù)，它為礦山的開發(fā)、運營和管理提供了必要的地理和地質(zhì)信息。傳統(tǒng)的礦山測繪方法雖然在很長一段時間內(nèi)發(fā)揮了重要作用，但隨著礦山規(guī)模的擴大和生產(chǎn)效率的提高，這些方法的局限性也日益顯現(xiàn)。例如，手動測量耗時長、效率低，而攝影測量則需要復(fù)雜的后期處理和專業(yè)的解譯技術(shù)。這些傳統(tǒng)方法往往難以滿足礦山測繪的精度和實時性要求。

近年來，隨著測繪技術(shù)的快速發(fā)展，三維激光掃描儀和實時動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)（RTK）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于礦山測繪中。三維激光掃描儀可以快速、精確地獲取地形和地物的三維信息，而RTK技術(shù)則可以提供高精度的實時位置信息。然而，如何有效地將這2種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于礦山測繪，以及如何對測繪數(shù)據(jù)進行有效集成，以支持礦山的決策和管理，仍是一個待解決的問題。因此，本文的目的是探討和介紹三維激光掃描儀與RTK技術(shù)在礦山測繪和數(shù)據(jù)集成中的聯(lián)合應(yīng)用，以期為礦山測繪的技術(shù)進步和實踐應(yīng)用提供參考和啟示。

1? 礦山測繪的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

1.1? 現(xiàn)有的礦山測繪方法和技術(shù)

礦山測繪的主要方法和技術(shù)包括傳統(tǒng)的手動測量、攝影測量，以及近年來逐漸興起的遙感測量和無人機測量[1]。手動測量是最基本的測繪方法，主要依賴測繪工程師在現(xiàn)場使用各種測量工具進行測量。攝影測量則是通過航空或地面攝影，獲取地形和地物的二維或三維圖像，然后通過專業(yè)的解譯和處理，得到測繪信息。遙感測量和無人機測量則利用遙感衛(wèi)星或無人機搭載的各種傳感器，從空中獲取地形和地物的信息。

1.2? 現(xiàn)有測繪方法和技術(shù)的優(yōu)點及局限性

現(xiàn)有測繪方法和技術(shù)各有優(yōu)點及局限性。手動測量雖然簡單易行，但效率低，且受現(xiàn)場環(huán)境和人為因素影響大。攝影測量可以獲取大范圍的測繪信息，但需要復(fù)雜的后期處理和專業(yè)的解譯技術(shù)。遙感測量和無人機測量可以快速獲取大范圍和高精度的測繪信息，但設(shè)備成本高，且數(shù)據(jù)處理和解譯需要專業(yè)知識。

1.3? 礦山測繪面臨的主要挑戰(zhàn)

礦山測繪面臨的主要挑戰(zhàn)包括如何提高測繪的精度和效率，如何實現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)的實時獲取和處理，以及如何將測繪數(shù)據(jù)與礦山的其他數(shù)據(jù)（如地質(zhì)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等）進行有效集成。此外，隨著礦山規(guī)模的擴大和生產(chǎn)效率的提高，如何滿足大規(guī)模、高效率和高精度的測繪需求，也是一個重要的挑戰(zhàn)。

2? 三維激光掃描儀在礦山測繪中的應(yīng)用

2.1? 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀是一種先進的測量設(shè)備，它通過發(fā)射激光束并接收反射回來的激光束，測量物體的距離和角度，從而獲取物體的三維坐標信息[2]。三維激光掃描儀的工作原理主要基于激光雷達（Lidar）技術(shù)。它通過發(fā)射激光束，并測量激光束從發(fā)射到被物體反射回來的時間，計算出激光束與物體的距離。同時，掃描儀通過內(nèi)部的角度編碼器測量激光束的發(fā)射角度，從而確定物體的方位。通過這2個信息，掃描儀可以計算出物體的三維坐標。

2.2? 三維激光掃描儀在礦山測繪中的應(yīng)用實例

三維激光掃描儀在礦山測繪中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，以下是一些具體的應(yīng)用實例。

2.2.1? 礦山開采面的測繪

在一個大型露天煤礦的開采過程中，管理者需要定期測量開采面的形狀和位置，以便了解開采進度和規(guī)劃下一步的開采活動[3]。傳統(tǒng)的測量方法需要人工進入開采面進行測量，不僅效率低，而且存在安全風(fēng)險。為了解決這個問題，礦山采用了三維激光掃描儀進行測量。掃描儀從安全的位置發(fā)射激光束，測量開采面的距離和角度，然后計算出開采面的三維坐標。這種方法不僅提高了測量的效率和精度，而且避免了人員進入危險區(qū)域。

2.2.2? 礦山地形的測繪

在大型露天煤礦的地形測繪中，三維激光掃描儀的應(yīng)用具有深遠的影響。精確、全面的地形數(shù)據(jù)對于礦山的排水和運輸系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)至關(guān)重要。三維激光掃描儀提供了比傳統(tǒng)方法更精確的地形數(shù)據(jù)，掃描儀發(fā)射的激光信號能夠精確地測量目標點的距離和角度，從而計算出該點的三維坐標。這種高精度的測量結(jié)果可以幫助工程師更精確地規(guī)劃和設(shè)計礦山的各項設(shè)施。三維激光掃描儀可以生成詳細的三維地形模型，掃描儀收集的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，生成精確的三維地形模型。這種模型可以直觀地展示礦山的地形特征，幫助更好地理解地形條件，從而更好地進行設(shè)施的設(shè)計和建設(shè)。

2.3? 三維激光掃描儀在礦山測繪中應(yīng)用的優(yōu)點和局限性

三維激光掃描儀在礦山測繪中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)點，但也存在一些局限性。

2.3.1? 優(yōu)點

1）高精度和高效率：三維激光掃描儀可以快速地獲取大量的測量數(shù)據(jù)，精度達毫米級，大大提高了礦山測繪的效率和精度。

2）安全性：三維激光掃描儀可以從遠處進行測量，避免了人員進入危險區(qū)域，提高了測量的安全性。

3）易于數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建：三維激光掃描儀獲取的是數(shù)字化的測量數(shù)據(jù)，可以直接輸入到計算機中進行處理和分析，方便了數(shù)據(jù)的管理和使用。同時，這些數(shù)據(jù)可以用于構(gòu)建礦山的三維模型，為礦山的設(shè)計和管理提供了直觀的視覺效果。

2.3.2? 局限性

1）設(shè)備成本高：三維激光掃描儀的購置和維護成本相對較高，這可能限制了其在一些小型或貧困礦山的應(yīng)用。

2）數(shù)據(jù)處理需求大：三維激光掃描儀可以獲取大量的測量數(shù)據(jù)，這需要強大的計算能力和專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進行處理和分析。對于一些缺乏這些資源的礦山，可能難以充分利用三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)。

3）環(huán)境影響：三維激光掃描儀的測量精度可能受到環(huán)境因素的影響，如光照、雨霧、煙塵等。因此，需要在使用時考慮這些因素，并采取一些措施，如選擇合適的測量時間和地點，或使用特殊的設(shè)備和方法來減少這些影響。

3? RTK技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用

3.1? RTK技術(shù)的工作原理

實時動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)（Real-Time Kinematic，RTK）是一種基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的高精度定位技術(shù)[4]。

RTK技術(shù)的工作原理主要基于GPS的差分定位原理。在RTK系統(tǒng)中，通常設(shè)有一個已知坐標的基站和一個或多個移動站?；窘邮盏降腉PS信號中包含了衛(wèi)星和接收器之間的誤差，如大氣延遲、鐘差等?；就ㄟ^計算自己的實際位置和GPS信號計算出的位置之間的差值，得到這些誤差的估計值，然后將這些誤差信息通過無線電信號發(fā)送給移動站。移動站接收到這些誤差信息后，將其用于修正自己接收到的GPS信號，從而實現(xiàn)高精度的定位。

3.2? RTK技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用實例

RTK技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，以下是一些具體的應(yīng)用實例。

3.2.1? 礦區(qū)邊界的測繪

在一個大型露天煤礦的開發(fā)過程中，需要準確測量礦區(qū)的邊界，以便進行礦區(qū)的規(guī)劃和管理[1]。傳統(tǒng)的測量方法需要人工在地面上進行測量，不僅效率低，而且精度受到地形和視線條件的限制。為了解決這個問題，礦山采用了RTK技術(shù)進行測量。通過在礦區(qū)邊界的關(guān)鍵點設(shè)置RTK移動站，并通過基站發(fā)送的誤差信息，實時計算出這些點的精確坐標。這種方法不僅提高了測量的效率和精度，而且避免了人員在復(fù)雜地形中進行測量的風(fēng)險。

3.2.2? 礦山設(shè)備的精確定位

在一個煤礦的開采過程中，需要對礦山設(shè)備（如鉆車、裝載機等）進行精確的定位，以便進行有效的調(diào)度和管理[5]。傳統(tǒng)的定位方法需要人工進行觀察和記錄，不僅效率低，而且精度受到人為因素的影響。因此，礦山采用了RTK技術(shù)進行定位。通過在礦山設(shè)備上安裝RTK移動站，并通過基站發(fā)送的誤差信息，實時計算出設(shè)備的精確位置。這種方法不僅提高了定位的效率和精度，而且實現(xiàn)了設(shè)備的實時監(jiān)控，為礦山的調(diào)度和管理提供了重要的信息支持。

3.3? RTK技術(shù)在礦山測繪中應(yīng)用的優(yōu)點和局限性

RTK技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)點，但也存在一些局限性。

3.3.1? 優(yōu)點

1）高精度：RTK技術(shù)可以實現(xiàn)厘米級甚至毫米級的定位精度，滿足了礦山測繪對精度的高要求。

2）實時性：RTK技術(shù)可以實時提供定位信息，滿足了礦山測繪對實時性的需求。

3）動態(tài)性：RTK技術(shù)不僅可以定位靜止的目標，也可以定位運動的目標，滿足了礦山設(shè)備和人員的動態(tài)定位需求。

3.3.2? 局限性

1）信號遮擋和干擾：RTK技術(shù)的定位精度可能受到信號遮擋和干擾的影響。例如，在山區(qū)或建筑物密集的地方，GPS信號可能會被遮擋；在電磁環(huán)境復(fù)雜的地方，GPS信號可能會受到干擾。

2）設(shè)備成本和維護成本：RTK設(shè)備的購置和維護成本相對較高，這可能限制了其在一些小型或貧困礦山的應(yīng)用。

3）技術(shù)要求： RTK技術(shù)的使用和數(shù)據(jù)處理需要一定的技術(shù)知識和技能，這對礦山的技術(shù)人員提出了較高的要求。

4? 三維激光掃描儀與RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

4.1? 三維激光掃描儀與RTK技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，主要基于以下幾個理論基礎(chǔ)。

1）數(shù)據(jù)融合理論：數(shù)據(jù)融合是指將來自多個源的信息或數(shù)據(jù)進行整合，以獲得比單一源更準確、更完整的信息或數(shù)據(jù)。在三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用中，可以將兩者獲取的測量數(shù)據(jù)進行融合，從而獲得更高精度和更全面的測繪信息。

2）空間參考系統(tǒng)理論：空間參考系統(tǒng)是用來描述地球上位置的數(shù)學(xué)模型。在三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用中，需要將兩者獲取的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一空間參考系統(tǒng)中，以便進行數(shù)據(jù)融合和分析。

3）地理信息系統(tǒng)（GIS）理論：GIS是用來捕捉、存儲、處理、分析和展示地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。在三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用中，可以利用GIS進行測繪數(shù)據(jù)的管理、分析和可視化。

4.2? 三維激光掃描儀與RTK技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的實際案例

在礦山測量中，三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的實踐。一項研究詳細介紹了這種技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用[3]。

在這個案例中，研究人員使用了三維激光掃描儀和RTK技術(shù)來測量礦山的地形和地貌。首先，他們使用RTK技術(shù)來獲取礦山的精確位置信息。然后，他們使用三維激光掃描儀來獲取礦山的詳細三維圖像。通過這種方法，研究人員能夠獲得礦山的精確三維模型，這對于礦山的規(guī)劃和管理非常有幫助。例如，通過這種方法，他們能夠精確地測量礦山的體積，從而更準確地估計礦石的儲量。此外，這種方法還能夠幫助他們發(fā)現(xiàn)礦山的潛在安全隱患，從而提高礦山的安全性。

這個案例表明，三維激光掃描儀和RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用在礦山測量中具有很高的實用價值。這種技術(shù)不僅能夠提高測量的精度，還能夠提高測量的效率，從而為礦山的規(guī)劃和管理提供了強大的工具。

5? 礦山數(shù)據(jù)集成

5.1? 三維激光掃描儀與RTK技術(shù)在數(shù)據(jù)集成中的作用

在礦山測繪的過程中，數(shù)據(jù)集成是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。三維激光掃描儀與RTK技術(shù)在這一過程中發(fā)揮了重要作用。

1）數(shù)據(jù)獲?。?三維激光掃描儀和RTK技術(shù)是獲取高精度地理空間數(shù)據(jù)的重要工具。三維激光掃描儀可以獲取礦山地形的詳細三維數(shù)據(jù)，包括地形起伏、物體形狀等信息；RTK技術(shù)則可以提供精確的地理位置信息。這2種技術(shù)的結(jié)合，使得我們可以獲取到既精確又全面的礦山測繪數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)處理： 在數(shù)據(jù)集成的過程中，需要將來自不同來源的數(shù)據(jù)進行處理和整合。三維激光掃描儀和RTK技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，可以通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，如去噪、濾波、插值等，然后將處理后的數(shù)據(jù)進行整合，形成一份完整的礦山測繪數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用： 數(shù)據(jù)集成后的礦山測繪數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域。例如，可以用于礦山的規(guī)劃和設(shè)計，通過對礦山地形的精確測量，可以更準確地規(guī)劃礦山的開發(fā)和利用；也可以用于礦山的安全管理，通過對礦山環(huán)境的實時監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患。

5.2? 數(shù)據(jù)集成的實際案例和效果評估

在礦山測繪的實踐中，三維激光掃描儀與RTK技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的實踐和認可。一項研究中詳細介紹了激光掃描在礦山應(yīng)用中的進步，數(shù)據(jù)捕捉和處理技術(shù)，以及主要應(yīng)用[6]。

1）數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理：在數(shù)據(jù)采集階段，案例中使用了激光掃描儀進行礦山的測繪。這種應(yīng)用不僅提高了數(shù)據(jù)采集的效率，也提高了數(shù)據(jù)的精度。然而，由于特性缺乏，動態(tài)和環(huán)境影響（如塵土和水），在某些礦山，連貫和一致的數(shù)據(jù)收集是一個挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，使用了一系列的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)對齊，以及數(shù)據(jù)融合。這些處理步驟確保了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，也為后續(xù)的數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2）數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用：在數(shù)據(jù)集成階段，案例中將激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)與其他地質(zhì)和巖土數(shù)據(jù)進行了集成，以提供更全面的礦山信息。數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵在于將不同來源、不同格式、不同精度的數(shù)據(jù)融合在一起，形成一個一致、準確的數(shù)據(jù)模型。在這個過程中，數(shù)據(jù)的預(yù)處理、對齊、融合等步驟都是必不可少的。這種數(shù)據(jù)集成的應(yīng)用包括變化檢測、間隙測量、結(jié)構(gòu)映射等。然而，文中也指出，激光掃描在巖石識別、表面參數(shù)測量、物流跟蹤和自主導(dǎo)航等方面還有改進的空間。

3）效果評估：根據(jù)對案例的研究，可以發(fā)現(xiàn)激光掃描在礦山中的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進步，但仍然存在一些限制因素，如數(shù)據(jù)傳輸、大地測量網(wǎng)絡(luò)和處理能力的缺乏。盡管如此，由于其價格適中、精度高、移動性強，激光掃描儀正在成為礦山自動化的一個重要部分，預(yù)計在未來幾年內(nèi)，其使用將會更加廣泛。

6? 結(jié)束語

三維激光掃描儀與RTK技術(shù)在礦山測繪和數(shù)據(jù)集成中的聯(lián)合應(yīng)用，不僅可以提高測繪的精度和效率，還可以為礦山的規(guī)劃和管理提供更全面、更準確的數(shù)據(jù)支持。然而，這種聯(lián)合應(yīng)用也存在一些可能的問題，如設(shè)備成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等，需要在實際應(yīng)用中進行充分的考慮和解決。未來，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用的深入推進，三維激光掃描儀與RTK技術(shù)將在礦山測繪和數(shù)據(jù)集成中發(fā)揮更大的作用，為礦山的發(fā)展帶來更大的價值。

參考文獻：

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