礦山測繪中三維激光掃描技術

林高峰

（江西有色地質測繪有限公司，江西 新余 338000）

國內礦山測繪領域持續時間較長，相應技術方法逐漸脫離常規人工測繪模式，自動化程度加深。三維激光掃描基于GPS，配以3D重建方法。此項技術把采集到的內容實施3D重建，形成數字化的測繪模型，應當是近些年使用較多的測繪方法之一。相關測繪機構依托于三維激光掃描技術，開發專業化的測繪系統，既能生成礦山的空間模型，又能把規劃區域內的地質數據、地理特征與地表形態較為完整地呈現出來。

1 三維激光掃描技術

1.1 技術原理

該項技術是GPS定位系統之后，在測繪領域中的新型技術，其主要設備是三維的掃描儀器，在該儀器中設有高清相機、后處理程序、連接電源、附屬裝置等。其技術原理是：激光二極管按照周期性的規律，發出激光脈沖，通過透鏡接收到測繪對象的反射信號，產生接收信號。系統會根據發射和接收兩個動作之間的時間差，計算出儀器和測繪目標之間的距離，并把儀器鏡頭所在橫向與縱向上的測繪角度，分別記作、，而被測點則是P，對應三維坐標是（x,y,z），關聯公式如下：

結合以上公式，便能確認點P的空間坐標?？偟膩碇v，三維激光掃描技術便是借助掃描儀對任務目標對象實施全面地掃描作業，并將所得結果加以統計整理，形成點云數據，由此提煉出三維坐標，繪制出對應區域的地形圖。此項技術的運行流程圖見圖1。

圖1 三維激光掃描技術在礦山測繪中的運行流程圖

1.2 運用領域

三維激光掃描一般用在三個測繪任務中，即未采取與一采區模型構建任務、計算開挖量任務、礦山保護及優化任務。

首先，未采取與一采區模型構建任務。構建未采區與已采區的數字化空間模型，能直接借助的礦山的點云數據，生成完整的模型信息，此操作過程比較簡單。相較來看，已采區建模難度相對更大。一是要求掃描對象是礦區。三維激光掃描期間，為了生成巷道模型，應當在相應空間內布設測量裝置。和建立地表形態的三維模型比較，此項任務的操作進度相對偏慢，作業效率差，而出現上述問題的誘發因素一般是被外在測量環境影響。此項測繪任務雖然采集數據的過程較慢，但整個作業過程就比較安全，能保障測繪人員與儀器的安全。其次，計算開挖量任務。在計算開挖量的任務中，一般是露天開采情況。在該類采礦區內，采礦與非采礦的不同比較明顯。借助激光掃描，能較快地獲得目標范圍特征，掌握開采量。最后，礦山保護及優化任務。實際采礦作業勢必會破壞山體既有環境的狀態，尤其是采空區，容易面臨較大的危險問題，對測繪人員的安全產生威脅。采空區實施采礦作業中，普通測繪方法不能有效展現出此項工作任務的價值，而且人身安全同樣很難得到全面保障，反觀三維激光掃描能有效消除上述問題，采集到精確的測量數據，還能給采空區的動態監控予以技術支持，確實能消除礦山測繪中的諸多風險問題。

2 礦山測繪工作分析

三維激光掃描運用于礦山測繪中，其突出優勢在于精準性高、快捷便利。在外業采集中，測繪人員搭設三腳架后，就能開展各類信息的采集作業，而且可以隨機簡單處理采集到的內容，借此取得礦山空間資料。此項技術的運用，切實降低野外建站的工程量，控制測繪準備工作的時間消耗，使礦山內外部的空間建模任務得以快速完成，和常規的人力測繪對比，能直接獲取礦山信息，有助于加快測繪作業速度。

對于礦山開采階段的測量作業，技術員應當先保障控制點精準度，測量技術員基于對此的合理管控，為測繪結果提供有力保障。另外，技術員還需結合目標礦山的區域面積、現場現實情況，挑選合適級別的GPS控制網，當成首級控制網。下一步則根據導線點的設定級別，完成對應加密處理。在導線測量中，技術員需把GPS點視為已知信息完成加密，并根據封閉導線標準完成測量工作，這樣能保障平差后的結果精度。在高程測量方面，按照任務精度標準，選定合適測量級別，通常會選擇三角高程與水準測量方式實現對高程參數的有效管控。

3 三維激光掃描在礦山測繪中的運用

現如今，三維激光掃描應當是礦山測繪項目中，比較常見的技術手段，其利用掃描儀發出激光脈沖，獲得數據資料，完成相應處理與空間數字化重建計算，把信息經過有效處理后，確認不同方位的數據資料，并應用數據資料，依托于專門的軟件程序，構建礦山測繪區域的空間模型。

3.1 采集數據及計算

測繪人員可使用掃描儀將劃定的礦山區域實施完整掃描，得到相應的空間資料。此項技術屬于非接觸類的測繪方法，支持消耗較短的時間，就能完成對礦山自動掃描及測繪，儀器借助激光探測整體區域，將“時差”參數作為測距依據。根據激光的反射原理，當遇到物體后，隨即反射回來，儀器自動記錄激光往返的時間長度，就可計算出激光接觸物體與儀器的距離。相關的技術參數要求見表1。結合表1所示，工作范圍需從參數取值中選擇，反之儀器僅能生成虛假圖像。儀器發出的激光脈沖通常是每前進一毫米，僅需3.3ps左右的時間，鑒于激光脈沖自身所具備的高速特點，有效保障儀器的工作精度，測繪目標和儀器間距可用下述公式計算：

表1 測繪掃描儀的技術標準（部分）

d=vt

其中，d表示儀器與測繪目標之間的距離；t表示激光脈沖一次往返消耗的時間;v是指激光脈沖的速度。

三維激光掃描此種非接觸的方法手段，可以幫助相關人員快速采集到立體坐標數據。其和普通的測繪方式相較，效率高、操作便利、精準性高，而且得到的資料采樣率與可分辨性均有較大的應用優勢。

3.2 點云數據匹配及坐標轉換

借助三維激光掃描方式測繪礦山地形的任務中，由于儀器本身存在有效間距的限制，以及礦山環境的復雜性，令實際測繪中需要經過數次轉站作業，這種工作模式下，使全部的點云數據均是儀器自定義坐標體系。為令礦山規劃測繪范圍內采集到的所有數據得以統一，應當把若干站點坐標集中在一個坐標系上。在進行此項工作中，為避免對整體測算結果的準確性與精度造成負面影響，應當把所有站點取得的點云數據統一到其中一個站點坐標上，對此可借助臨近站點至少三處同名控制標靶，完成獨立數據的配準作業。實際配準中，技術員可選擇相對或是絕對兩個思路，其中相對方式是根據一個站點坐標系，把其他站點的坐標信息都歸納到選中站點的坐標系上。此種處理思路運用到配準環節中，要求選擇站點中需至少有三處同名標靶，如此才能保障數據配準的結果有效。并且相對處理思路下，隨著站點數目增加，配準誤差會隨之加大。

絕對處理思路下，把激光掃描儀器和一般測量設備組合起來，先用普通設備測出各個站點坐標與標靶坐標，由此便取得測繪目標的絕對坐標數據，而后把不同站點坐標信息轉化到絕對坐標上，使用此種方式無需考慮配準誤差的問題，而且精度分布也比較均勻?；诖?，本文建議使用全站儀測量出絕對坐標，支持信息配準。在取得空間坐標的前提下，為保障結果精度，可運用小二乘法，完成信息擬合。相關運行公式如下：

3.3 數據提取及形成等高線

三維激光掃描方法運用到礦山測繪任務的點云數據中，涵蓋規劃范圍內地表的全部資料，也就是說，點云數據不僅包括測繪礦山的地形資料，還有附近的樹木、建筑、電線桿等，以及噪音。所以，為提升地形測繪結果的可用性與品質，就應考慮過濾及篩除非地形的資料。此處選擇Cyclone程序完成該類任務，基于此，利用CASS程序，根據設置等高距離人工操作確定目標范圍高程點信息，直接點擊進入系統相應的功能模塊，便可獲得測繪地形等高線。技術員把所得等高線圖形和地物圖像在疊合后，完成編輯加工，消除等高線個別不平順、缺漏、扭曲等情況，并對照掃描影像，人工比較改動，最終設置各個高程標注點，生成等高線圖的圖框作為修飾。

4 礦山三維激光掃描的立體化支持

4.1 建設地表空間模型

利用三維激光掃描能夠給礦山地表空間模型予以基礎數據材料，通過對有關設施條件實施掃描，取得精確的點云數據，達成建模目的。各個模型實際屬性能利用相應的軟件程序確認，并用精確數據為礦山作業予以穩定基礎，有助于工作行為有序開展。同時，在建模期間，技術員應當合理使用索引目錄，便于相關人員通過模型查找所需內容，快速進入到操作界面，加深礦山作業的現代化程度。

4.2 直觀輸出巷道狀態

依托于三維激光掃描，能夠快速采集到巷道中的全部信息，并可以捕捉到極為細小的改變，提取到詳細點云數據內容，并利用空間模型顯示出巷道當前的工況。同時，技術員也能隨時了解巷道中的工作狀態，把實際地層中的場景通過屏幕輸出。利用該項技術，支持完成巷道中設備機組的掃描作業，并形成相應的數據模型。另外，礦山作業中，技術員可把此和通訊裝置搭配，保障相應信息可以及時反饋。比如：在巷道模型中，能夠直觀顯示出該空間內工作者的三維定位，操作人員可以借此了解其作業進度，而且在該模型上連接監測裝置，能在巷道內發生異常后，迅速發送警報，提高監測作業的可視化與空間性。

5 三維激光掃描礦山測繪的精度評價設計

5.1 確認掃描儀器

三維激光掃描方法用在礦山測繪任務中，具體儀器就是專門的掃描儀，如今市面上有不同的類型，技術員需結合具體測繪需要選擇合適的掃描儀器。比如：ILRIS型號的儀器，具有優異的可視化性能，而且掃描的范圍較大，能達到1000m～1500m，比較適合礦山測繪任務。

5.2 傳感裝置電路

根據對激光掃描測繪的精度評價要求，相應運行系統的設計應當結合其特點實施。其中，硬件方面應當達到該類測繪任務精度的評估穩定性、時效性的要求。此次選擇對數檢波放大方法，制定超聲波的傳感裝置電路，保障其靈敏度與續航時間滿足礦山測繪任務的要求。一般情況下，該類傳感裝置接收超聲波的探頭在部分檢測任務應用中，靈敏度并不高，所以選擇前置放大裝置，可以防止在傳播期間超聲波發生反射及衰減的情況。另外，既屬于低噪音的放大裝置，又能預防信號處理期間被外界擾動。在該傳感裝置線路中，把無極性的電容耦合連接至傳感裝置兩處INPUT口，和接地電阻構成濾波裝置，并在各個電源連接的位置，設置一處貼片封裝電容。在實踐作業中，為降低信號處理動作對傳感裝置信噪比的干擾，預防噪音耦合來到前置放大裝置處，應當挑選支持自由調整阻值的電位器。

5.3 構建數據庫

在評估激光掃描測繪精度的系統中，數據庫是用于管理及保存，給之后衡量測繪結果的精度提供基礎信息。該項數據庫內具體會保存地質測繪資料與剖面圖、地表形態資料等，此處所示的3D數據庫是基于針對礦山地質探勘信息的匯總與分析，數據庫形成期間，需把相同坐標點轉化成初始格式，實施圖像編輯時，技術員應當先確認目標礦山地質體和地質條件形成的制約條件，生成局部圖紙，把若干局部視圖加以匯總整理，能夠直接反映出礦山真實的場景，最終導出信息。構建此項數據庫，能夠提高測繪結果的可用性，令信息數據更為直觀清楚，方便測繪技術員了解礦山實際情況，在現場作業中可以為測繪工作員予以較好的保障。

5.4 建立空間模型

通過建立礦山的空間模型，有利于測繪技術員實時掌握目標區域內地質構造、礦山類型等資料，對此主要借助計算機與圖像圖形繪制的方法完成數字化建模，并依托于可視化與立體數據化通過操控屏幕輸出。建設空間模型的環節中，技術員應當先確認目標區域的坐標定位，并且在轉化坐標數值中，還需避免對內容精度造成負面干擾。同時，利用幾何參數化與拓撲數據等，生成地質礦體，從中找到地質特征，如邊界線與等值線。相關技術員可選擇適宜的提取方式，包括規則和不規則兩類，設定數據場的等值線，另外對于空間模型來說，邊界線參數也是極為關鍵的，如：脊線、輪廓線等，其中針對后者，能將形態、色彩與紋理等特征作為指標，而且閉合邊界線繪制應當結合礦山現實狀況合理選擇生成方式。

5.5 評估測繪數據精度

礦山測繪任務中，所得結果的精準性，應當是作業技術員首要考慮的要點，本文所述的評估系統，可針對單個測點、外延伸等內容的精度加以判斷，實際評估時應當按照上文提到的方法，提煉處理空間點云數據，該類信息整體是離散分布狀態。在單點的定位測試中，應當對相應靜態點位的測繪精度進行評估，選擇三維掃描方法，完成測量定位，用于作業精度評估的比較對象，通過定位接收機獲得的信息支持精度評估。而對于外延伸測繪情況的分析，通常需要對該類信息先行處理，確認其實際誤差是否滿足礦山測繪精度標準。

5.6 測繪精度評估效果

為驗證上述系統的可用性，采用實驗論證的方法和常規測繪系統比較，衡量測繪精度水平，相關的運算公式為：

X=A-B

其中，X表示精密度；A是指單次的測繪結果；B代表測繪結果的均值。

本次一共開展五次測試，相應比較結果見表2。結合表2內容所述，數次實驗結果顯示，本文所述的精度測繪精度均值達到91.94%，而常規方式測繪精度均值僅達到80.226%，相差10%以上，所以上文所述的精度評估系統運用效果要遠超過常規測繪管理方法，并且結果信息比較穩定，對于礦山測繪以及礦產資源開發與使用，都有較好的作用。

表2 精度評估結果比較結果

6 結語

通過三維激光掃描，能夠快速生成詳細的礦山地形圖，其中采集和處理的點云信息包含礦區地表的全部資料。和普通測繪方法比較，該項技術應用優勢極為明顯。但時至今日，探查、繪制大范圍開采地形圖的任務重，三維激光掃描還不能提供實時處理采集信息與高精度圖紙，僅能通過連接其他專業程序進行。所以，對于該項技術的后續研究開發中，應當著重從這兩方面開展，推動此項技術穩步成長。