三维激光扫描技术在矿山测量中的应用研究

朱冰

（安徽马钢矿业资源集团桃冲矿业有限公司，安徽马鞍山 241233）

0 引言

矿山是我国国土资源的重要组成部分。矿山的开采与我国经济的发展、生态环境的保护有着密切的关系。随着近年来我国测量技术的飞速发展，三维激光扫描技术已经成为辅助矿山测量的重要技术。三维激光扫描技术的应用推动了矿山地面测量、井下测量等工作的有效落实，是推动矿山开采产业升级、转型的重要技术。本文主要探究了三维激光扫描技术在矿山测量中的应用，具体内容如下。

1 三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是一种由扫描仪发射激光束，利用激光束对待测对象进行扫描、处理，并与其他设备相配合，根据时间差，测量扫描设备与待测设备之间距离等数据的技术[1]。三维激光扫描技术有着持续性强、全面性广两大特点，其能够帮助测量人员获取待测目标的空间信息数据，帮助测量人员构建被测目标的三维虚拟模型。

三维激光扫描仪通过分析发出激光信号到接收到来自被测目标表面的时间差，可以计算出自身与待测目标的直线距离S。再利用仪器内部的测量计算系统，获取激光的横向扫描角度、纵向扫描角度的观测值α、φ[2]。三维激光扫描仪在工作过程中，会根据收集到的点云数据，自动生成局部坐标系。这个局部坐标系以激光扫描仪的所处位置为原点，将扫描仪内部坐标系统的水平面设定为X、Y轴，将垂直方向设置为Z轴[3]。下见图1，这样便能够根据测量的数据，计算出目标点的相对坐标值。计算公式如下。

图1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术有着诸多优势，具体如下。

（1）数据采样率高。常规的脉冲扫描仪测量速度已经能够达到5万点/s，相位式扫描仪甚至能达到120万点/s，这也反应了三维激光扫描技术强大的物体空间信息全方位采集能力[4]。

（2）环境适应性强。大多数测绘技术都需要利用无线传输的方式传输数据，这种方式很容易受到环境因素的影响。二三维激光扫描技术可以有效的避免信号丢失等问题。

（3）立体性强。传统的测绘技术只能获取平面二维的测绘数据，需要多种地面测绘方式结合才能获取立体三维的测绘数据。而三维激光扫描技术可以直接获取待测物体的三维测绘数据，立体性极强。

随着近年来三维激光扫描技术的发展与进步，三维激光扫描技术已经能够实现大面积扫描、分辨率提升、快速扫描等功能。利用激光对被测目标的表面进行扫射，能够在没有反射棱镜的情况下，获取较高精度的测量结果。测量人员也能够根据测量结果，利用点云数据，再现被测目标的三维模型。将三维激光扫描技术应用于矿山测量中，能够有效提升矿山测量的精度与效率，是保障安全开采的重要技术。

2 矿山测量中存在的问题

随着我国经济的飞速发展，我国工业生产对于矿产资源的需求量也变得越来越高，而矿产资源的总量却在不断减少。矿山开采由地面区域和地下区域两部分组成，地面区域包括废石场、矿石、简易公路、建筑物等设施；而地下区域经过长期的开采，存在着许多采空区。采空区非常容易出现塌陷，导致地表受到影响，引发地表开裂、塌陷等问题，对我国的地表生态环境造成严重的破坏。塌陷还会导致矿山地下区域的空气气压被压缩，引发冲击波，对井下设备设施造成严重的影响，对井下工作人员产生很大的威胁。在降雨量较高的矿区，采空区内还有可能出现积水现象，进一步加大了采区塌陷事故的发生概率，对矿区环境造成更加严重的破坏。总体而言，随着矿山开采时间的延长，矿山安全生产存在的问题也将变得越来越多。

3 三维激光扫描技术在矿山测量中的应用

3.1 三维激光扫描技术在矿山地下区域的应用

3.1.1 三维激光扫描技术在矿山地下区域的具体应用

三维激光扫描技术在应用于矿山地下区域时，更多地被应用于地下采空区的测量中。经过长期的开采，矿山的地下区域出现了许多复杂的空间，这些空间具有形状不规则性和不稳定性，会对井下作业人员的生命与财产安全造成巨大的威胁。因此，需要采用三维激光扫描等先进的技术对地下采空区进行测量，了解地下采空区的实际情况，为后续矿区的开采提供数据支撑。

（1）三维激光扫描数据采集、反馈、智能控制技术的应用。在井下应用三维激光扫描技术时，大多会采用井下无人机挂载的方式进行应用。因为井下没有GPS信号，因此要想操作井下无人机进行三维激光扫描数据的采集，只能利用IMU系统进行控制。IMU系统能够实现飞行速度、设备状态等参数的有效控制，使井下无人机能够保持高精度惯性飞行状态[5]。

（2）三维激光扫描自主避障技术的应用。在矿山的地下区域，受到种种因素的限制，传统测量难以发挥其应有的作用，无法满足生产的需求。因此井下无人机的应用是必不可少的，当井下无人机运作时，可以利用三维激光扫描仪的激光测距技术，实现自主避障。这种避障方式有着精度高、速度快等特点。在形状简单、规则的区域有着较好的应用效果。但是在形状无规则、突发障碍多的区域中应用效果较差。因此，在井下无人机执行飞行任务时，还需根据井下采空区的实际情况，由无人机操作者手动完成复杂区域的测量工作。

（3）三维激光扫描数据传输技术的应用。在矿山地下区域，无人机无法接收到GPS信号，三维激光扫描仪无法对信息进行验证，存在着数据传输不稳定等问题。因此，为了确保矿山地下区域点云数据采集的有效性，确保三维激光扫描仪在井下采空区等复杂环境内能够长时间运作，必须重视三维激光扫描数据传输技术的应用，及时更新相应技术。

3.1.2 三维激光扫描技术在矿山地下区域的应用流程

（1）对矿山地下区域布设控制网。在应用三维激光扫描仪时，要以扫描仪为中心，建立独立坐标系。再在地下矿区引入坐标控制点，以坐标控制点的形式将待测采空区引入，之后的每一站扫描都可以在真实坐标的基础上进行测量（借助公共标靶），从而实现点云数据的统一。因此，在布设地下矿区控制网时，要利用全站仪的广电测距导线功能，在待测采空区内合理布设控制点。

（2）开展三维激光扫描处理。利用三维激光扫描设备，对地下待测采空区进行分站扫描。在每一站布设3个标靶，在开展扫描工作的同时，对每一站的3标靶进行扫描与测量，与标靶的几何中心进行拟合[6]。利用3个标靶的数据独立性坐标系统，构建相对性空间关系；利用全站仪测量标靶的几何中心坐标，使3个标靶所在位置的坐标系统也具备相对性空间关系。在后续进行内业数据处理时，能够将3标靶的几何中心作为公共点，辅助点云拼接。这种扫描方式既可以建立各个站点的独立性坐标系统，也可以构建能够进行凭借的地方性坐标系统，实现系统内的转换。图2为采空区的点云数据，AA、BB、CC为标靶的几何中心。

图2 采空区的点云数据

（3）内业数据处理。地下矿区三维激光扫描技术的内业数据处理包括了点云数据的拼接、数据抽稀、数据虚拟测量、构建三维化实体模型、断面数据提取等内容。首先利用Cyclone软件分析扫描仪数据，再对数据进行拼接处理，根据步骤（2）中的标靶坐标，对点云数据进行拼接，误差控制在2mm以内。因为点云数据的数据量很大，因此要对点云数据进行抽稀，抽稀的方法可以选择Maplex、Sub Points、Subset等方式，在保障点云数据精度的基础上，提升点云数据的处理速度。最后利用Cyclone、3Dmine等软件生成三维化实体模型即可。

3.2 三维激光扫描技术在矿山地上区域的具体应用

矿山边坡地形监测是三维激光扫描技术在矿山地上区域的应用途径之一。三维激光扫描技术的应用流程与地下矿区的应用流程大致相同。

（1）外业数据采集。在矿山边坡的上、中、下等位置建设分站，再在每一个分站进行数据扫描。要注意的是，在获取数据信息时，不能直接用三维激光获取数据信息，要提前做好数据的预处理工作，清除掉其中有误差的数据，为后续DEM模型的可靠性与准确性提供保障。

（2）内业数据处理。三维激光扫描技术应用于矿山边坡变形监测时，其最终目的是为了生成坡体DEM模型。首先，要对点云数据进行匹配。利用标志点匹配法转换点云坐标为大地坐标系。然后对点云标志点进行动态匹配。将基准设为坡体第一幅点云，使其能够与第二幅点云的标志点相匹配。在将处理后的数据利用区域数据匹配法引入到数据层内，根据实际情况修改数据层，确保数据层的最优状态。然后再根据各个分站的位置，设置点云坐标。在进行点云的绝对定位与拼接。为保障在同一坐标系中，呈现各个分站的点云坐标，要对点云数据进行拼接。ICP算法、标定物拼接是两种常见的点云拼接方法。应根据实际情况选择合适的拼接方法进行拼接。最后，再利用Cyclone等软件生成坡体的DEM模型。根据数据的应用方向，导出IMP等格式[7]。对矿山边坡的变形情况进行检测，分析矿山边坡的变化程度。

4 结语

综上所述，本文首先阐述了三维激光扫描技术的内容与原理，其次分析了现阶段矿山开采存在的问题，在此基础上探究了三维激光扫描技术在矿山测量中的具体应用。在地下矿区的测量中，本文以地下采空区测量为例，对三维激光扫描技术的应用进行了讨论；在地上矿区的测量中，本文以矿山边坡变形监测为例，对三维技术扫描技术的应用进行了讨论。总的来说，三维激光扫描技术应用在矿山测量的不同领域时，其大致的应用流程是相同的。工作人员在实际开展矿山测量工作时，应该根据测量工作的具体内容，对三维激光扫描技术进行适当的改进与调整。与实际相结合，合理的应用三维激光扫描技术，才能够推动矿山测量质量与效率的提升，推动我国矿山开采行业的健康可持续发展。