三维激光技术在矿山测量中的综合应用

彭劲松,叶 波,李 娟,周光明

(1. 湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005; 2. 武汉海达数云技术有限公司，湖北 武汉 430023)

在矿山建设和采矿过程中，矿山测量是为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理及矿山报废等进行的测绘工作。

三维激光扫描技术以高密度、高精度和高效率的测量手段，完成矿山生产过程中地形测图、堆体体积计算、矿区沉降观测等工作，是实现矿山高效、精细化生产的有效保障。

传统方法运用到的仪器主要有GPS、全站仪、水准仪等，可以测量到比较精确的点位位移，但观测点过少、观测时间过长，无法实施整体监测。传统方式一般采用免棱镜全站仪观测滑坡体局部特征点，但只能采集单点数据，数据量非常有限，不能很好地对滑坡做好勘查、监测工作。若采用无人机通过倾斜摄影测量来进行数据采集，精度也不是很理想，同样无法满足要求。

本文采用三维激光扫描仪对厂房和矿山进行数据采集，使用配套软件生产加工完成1∶500地形图、堆体体积计算，以及滑坡对周边区域预警分析等成果，并将采集处理成果和传统RTK测量方式获得的结果进行比对。数据显示，无论在精度，还是在采集处理效率方面，均可以获得令人满意的效果。

1 总体技术路线

本文技术路线如图1所示。

2 设备及配套软件

使用设备为HS系列高精度三维激光扫描仪，该设备为脉冲式地面三维激光扫描设备，非常适合地形测绘、矿山测量等大场景区域测量应用,如图2所示。

硬件部分：设备具有5 mm的测量精度，最远测距可达1200 m,整机具备IP64防护等级，可连续使用4 h以上，内置240 GB固态硬盘,此次作业主要采集航道区域的点云及全景等。

软件部分：配套软件具备点云预处理、全景与点云配准着色、点云分类滤波、测图、提取矢量要素、体积计算、预警分析等功能。

图1 技术路线

图2 HS系列高精度三维激光扫描仪

3 作业流程

3.1 现场环境

现场环境为北方某露天矿坑，常年风沙巨大，车辆运输较为频繁，如图3所示。

3.2 外业数据采集

设置扫描参数对外业环境进行数据采集，对标配靶标精确扫描，并采用后视定向的方式获取绝对坐标位置。

图3 现场环境边坡

3.3 坐标转换

可通过两种方式进行坐标转换：

(1) 精扫3个标靶后，提取标靶点中心位置，进行三坐标七参数转换。

(2) 可通过RTK连接组件进行后视定位定向方式转换坐标，如图4所示。

图4 坐标转换

将外业RTK数据通过固定参数转换为扫描仪相位中心点作为定位点，将后视定向靶标通过固定参数转换为标靶中心点作为定向点。

3.4 内业数据处理

工程数据内业处理基本步骤：

(1) 使用HD 3LS Scene软件进行点云预处理，全景与点云配准着色，点云分类滤波。

(2) 使用HD PtCloud Vector(For AutoCAD & ArcGIS)进行测图，提取矢量要素。

(3) 生产DEM、DWG及滑坡区域预警分析。

3.5 数据成果

处理成果包括矿山点云、矿山数字高程模型、矿山数字线划图等，如图5—图7所示。

3.6 确定边界范围

由于需要确定滑坡边界位置，结合地质资料确定地层岩性从而判断地质结构应力，并反演不同应力结构下的地层可能滑坡的整体方量、坡度角度及下滑的可能位置，分别如图8—图11所示。

图5 矿山整体点云

图6 矿山数字高程模型

图7 矿山数字线划图

图8 边界及钻孔位置坐标点

图9 边界范围模型

4 结 语

三维激光扫描技术可以将矿山的所有实景信息复制到计算机，大大提高了测量效率，节约了人力物力，缩短了周期，并且可以转换为计算机可以浏览和分析的高密度数字化信息，从而实现数字矿山的精准管理。

图10 边坡彩色点云侧面图

图11 总面积与总体积

根据三维激光扫描技术，不仅可以利用获取的三维激光点云数据建立矿山的数字模型，在此模型上还可以提取多种高精度、高密度数据信息，如任意位置长度、距离、体积、面积等。

将多次扫描的数据模型进行叠加分析，可精确计算出目标的结构形变、位移及变化关系等，为指导矿山安全生产提供真实可靠的基础数据。