基于矿山地质勘查的三维成像系统设计及应用

陈文婷

（西安地质矿产勘查开发院有限公司，陕西 西安 710000）

传统的矿山地质勘查误差较大，系统所确定的靶区与实际的矿山资源位置存在一定的偏差，并不能准确地反应出矿床的具体位置。在矿山勘查过程中，由于地质现象的不均衡性，以及随机性，容易产生矿岩石体、断裂和剖面的自动生成。采矿地质人员希望能够更好地勘查矿体边界，了解地质构造的三维形态，精准地查看地下地质体，并实现矿床三维成像可视化，进行精准估算矿床开采设计。目前，国内外对三维成像的研究，均处于中期阶段。由于矿山本身就是一个三维的地理环境。

一般情况下在地质勘查中，工程师根据勘查区域的地质环境收集数据，对其分析处理等。三维成像是在二维成像为基础上，获取三维图像信息。通过立体观测方式，更好的勘查矿山地质。

1 基于矿山地质勘查的三维成像系统硬件设计

为了更精准的勘查矿山地质地形，设计三维成像硬件勘查矿山地质，实现不同地形地貌的信息精准成像。设计系统时，需要评估系统的成本和复杂性等因素的影响。在3D成像系统的设置中使用单光子检测器方法，该3D成像系统的光接收部分通过光纤连接，并且单光子的输出端是输入端光子检测器。利用矿山地质勘查的特征，针对三维成像技术进行再次设计，三维可视技术是三维成像系统硬件设计的核心和关键部分。采用与光纤相连接的方式，连接头类型为PC，另一个为IAC[1]。

硬件主要应用于地形测绘、地质测量、矿山探测等。通过三维成像系统硬件设计，为矿山地质勘查软件提供支持。

2 基于矿山地质勘查的三维成像系统软件设计

2.1 基于矿山地质设计软件程序

采集数据分为两种模式，一种是广播模式，广播模式中，三维GIS技术自动采集数据，数据采集频率为154Hz，并发送SET-BROADCAST-MODE数据包，自行匹配广播模式下的采集频率，并且系统默认接收全部的GIS数据，还可以根据系统要求，设置GIS数据活动通量的数量，实现固体矿山勘查三维数据采集。为了能够更好的实现固体矿产勘查数据分析，对采集的数据做数据格式转换，详细分析数据后，将有效的数据按照一定的排列格式写入文件中。其次，将无线传感技术采集到的图片数据，写进软件进行图像格式处理。图形化的语言编写软件是专用的转换软件进行转换图片[3]。成像技术基于光波的干涉和衍射，在三维成像中，通过在飞行时间测量中记录单个光子计数事件与触发信号之间的时间间隔来形成时间直方图。下表1为三维成像软件程序设计：

表1 三维成像软件采集程序

利用三维成像软件程序对采集的可视化模型进行分析，以保证客观性，一般需要至少五次的检查才能够确定结果。总结演习的原则和方法，进而更好地为矿山地质勘查做准备。将三维成像软件设计带入精准的计算模型中[5]。

2.2 设计激光雷达三维成像计算模型

三维成像旨在更准确，更快速地获取目标的三维空间信息，并且在目标识别和测量方面具有独特的技术优势。激光雷达成像还可以达到不受光照条件的优势，以及角分辨力高、测量精度高的优势。针对基于激光雷达的三维成像再次设计，以达到符合矿山地质勘查的系统。按照采用的光电探测器件，将面阵三维成像提高成像速度，并优化系统的探测效率。有些激光雷达系统，的焦平面阵列用于检测。讨论将一维光子检测器与一维扫描系统结合使用的好处，据说阵列检测设备已用于外差骑手。大学的实验室正在进行实验，将3D光电探测器阵列应用于外差检测，以提高3D图像的帧速率。计算激光回波的基础是一般的Rider方程，通用的Rider方程为：

光子事件的发生代表着探测器得到相应的回波信号，因此，探测到噪声光子时间的概率为：

当目标在波束往返时间内运动时，如果调整带宽足够高，则量程精度甚至可以达到微米级别。突出特点是能够同时测量目标距离的相对速度。缺点是由于调谐频率激光器的高价格，该系统的成本相对较高。

3 实验与应用

3.1 实验准备

采用实际矿山地区为实验对象进行系统检测，利用文中设计的三维成像系统，勘查矿山地质所在位置，以及地形地貌特点。运用文中的三维成像设计方法，针对该矿区六处区域矿山特点进行地质勘查。通过获取该矿山的地质地形地貌，从中采集有效数据，下表2为该矿山采集到的数据情况：

表2 矿山区域实际勘查平均值（m）

要安装整个3D系统，需要调整接收和发射角度，并使用相机辅助系统观察目标场景。使用高输出功率时，可以在距摄像机几公里的地方看到协作目标的激光点。可以使用光点找到要扫描的对象的范围和位置。扫描装置安装在水平偏转角可调的转盘上。垂直系统总角度的变化主要是通过改变底座的高度来调节的。

3.2 应用效果

为降低实验测试结果的差异性，针对采集的六处区域，分别应用文中的三维成像系统，进行测试矿山地区的地质特点变化，下图1、图2为系统勘查后的数据反馈情况。

图1 （CYA3201、2、3）区域地质变化

图2 （CYA3204、5、6）区域地质变化

根据图1、图2所示的结果得知，测试地区的矿山地质结构特点变化，通过三维成像系统设计可以清晰的勘查出变化数据。计算勘查数据平均值，并与实际地区平均值对比。

综合六个区域矿山勘查实验测试得出，成像系统勘查平均数值与实际平均数值最大相差0.5，最小相差0.1，具有数值偏差小的优势。因此，文中设计方法可应用于矿山地质勘查中。

4 结束语

此次，将针对矿山地质勘查设计的三维成像系统应用到矿山地质勘查中，对矿山地质勘查实现数据整合，能够直观地分析出矿山地质环境，以及其所在的具体位置，弥补了系统勘查的失误率。经过实验表明本文设计适用于矿山地质勘查，在很大程度上解决了矿山地质勘查的难点。