三维激光扫描仪在露天矿山测量中的应用

王孟英

摘要：对于露天矿山而言，其生产环境相对恶劣，加之其需要在开采完后及时进行土石填补，所以需要先进的测量技术进行支持。然而对于传统的测绘技术和手段而言，很难达到理想的要求，无法确保测量结果的效率性精确性。而三维激光扫描仪作为一种新型的快速的测量设备，可以快速准确的生成数字模型，特别适用于露天矿山测量工作中，同时相对比其它测量技术，三维激光扫描仪还具有测量速度快、准确性高以及操作简单等优势，所以应用前景十分广阔。本文首先对三维激光扫描仪相关原理和特点进行分析，进而对其在露天矿山测量中的实际应用进行深入探讨，旨在为业内人士提供一些建议。

关键字：三维激光扫描仪;露天矿山;测量工作;应用

一、三维激光扫描仪的原理和特点分析

（一）三维激光扫描仪的基本原理

三维激光扫描系统构成部分包括电源供应系统、控制器和扫描仪，通过对CCD与仪器内部控制等系统的集成，发挥出激光测距与激光扫描等功能。仪器中利用两个同步反射镜进行快速有序的旋转，将激光脉冲依次扫描过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物体表面再返回仪器所经过的时间来计算，并对控制模块控制与测量每个脉冲激光角度进行扫描，将被测物体上激光点的三维坐标计算出来。

（二）三维激光扫描仪的主要特点

相对比传统的测量手段，三维激光扫描仪主要通过非接触的方式进行实物的三维坐标获取，其所获取的点云格式可以直接在计算机相关处理软件中应用，极大的提高了测量效率和质量，三维激光扫描仪的主要特点体现在以下七个方面：第一，非接触性。传统的测量的手段大都需要人工的介入，在一些复杂地形测量时，很难确保测量结果的准确性，同时也会给人员生命安全构成威胁。而三维激光扫描仪的非接触性特点，可以在不需要人工介入的情况下获取实物三维坐标，极大地降低了人工劳动力;第二，测量效率高。三维激光扫描仪在露天矿山测量中的应用效率较高，通常情况下其点位获取的速度可以达到十万次每秒，同时该技术还比较适用于一些大面积实物三维坐标信息获取中，可见其在测量效率方面的优势巨大;第三，实时主动性。不同于以往的测量技术，三维激光扫描仪可以主动发射信号，不需要凭借外部光源进行测量，通过对发射信号的回波探测，即可实现对实物坐标信息的获取。另外，三维激光扫描仪的应用还不会受到时间和空间的制约，可以实现全天二十四小时的实时测量;第四，穿透性。由于三维激光扫描仪采样的间距较小，同时采样密度较大，所以对于一些植被稀疏的矿区测量，可以确保激光信号直接到达目标实物，获取目标的不同层面几何信息;第五，准确性。三维激光扫描仪所获取的目标信息具有高密度和高精度的特征，并且采样点分布相对均匀、分辨率较高，所以确保最终测量结果的准确性和可靠性;第六，自动化。

该技术作为数字化时代的主要产物，具有良好的自动化特点，其数据采集、存储和处理都可以自动完成，极大的降低了人工操作存在的失误率;第七，融合性。该技术可以与其它测量技术相结合使用，例如三维激光扫描仪与GPS技术的结合，在拥有自身优势的前提下，还融合了GPS技术的定位功能，可以更加高效的获取实物的准确信息，最终确保测量结果的准确性。

二、三维激光扫描仪在露天矿山测量中的应用要点

本文主要研究了三维激光扫描仪在与GPS技术相结合的情况下，实现对露天矿山的相关测量工作，详细环节如下：

（一）建立地面控制网

地面控制网的建立是测量工作的第一个环节，首先需要结合三维激光扫描仪和GPS技術，实现矿山控制网点的选取，然后利用三维激光扫描仪进行高精度的碎部测量，达到建立地面控制网的最终目的。在实际的建立过程中需要注意一点，相关技术的精度标准必须要符合《矿山测量》的规范要求，这样才能达到实质性的测量效果。

（二）建立矿山模型

在完成地面控制网的建立后，需要在三维激光扫描仪碎部测量基础上进行点位坐标的获取，同时还需再次对矿山进行激光扫描，以获得标准的点云数据群，然后通过相关软件的后续数据处理和加工，生成露天矿山的DEM数据和点云模型，为后续工作的顺利开展奠定基础。

（三）获取数字线划图

通过建立露天矿山开采模型，可以获取相关的数字线划图。由于1m分辨率的矿山模型，其可以生成精度较高的数字线划图，所以对于高精度和分辨率的点云数据模型，可以通过拼接生成1：500～1：5000的数字线划图，为后续基础数据的采集提供必要保障，而三维激光扫描仪在该环节中的作用主要体现在以下几个方面：第一，对于露天矿山的相关基础设施，包括控制网点、水塔、办公区、管线以及消防配电设施等，可以有效进行空间位置的扫描，生成的空间坐标数据的精度较高，而且更加直观形象，便于后续矿山模型的建立，同时数据在进行矢量化操作后，可以直接作为地形图要素进行使用;第二，三维激光扫描仪在矿山数字线划图获取中的应用效率较高，并且可以确保线划图具有高分辨率的特性。

（四）露天矿山井下设施的沉降监测

对于露天矿山井下作业而言，其安全性十分重要，为了确保人员的安全性，需要进行井下设施的沉降监测，这也是三维激光扫描技术应用的一个要点。因此，在具体的监测时，可以应用三维激光扫描仪对井口设施进行详细扫描，获取相关数据，并且通过对数据的长期积累，可以建立相关的数据库，从而便于工作人员分析设施的沉降变化。另外，三维激光扫描仪还可以实现井口数据的相对水准测量，同时可以确保测量点位信息的丰富性和准确性，数据观测更加直观。

（五）其它方面的测量

三维激光扫描仪除了在以上方面具有应用优势外，在实际的测量工作中，其还可以应用到其它方面，详细体现如下：第一，露天矿山中沉陷区的测量。由于露天矿山在进行开采时，会造成地面出现沉陷状况，一旦控制不到位，就可能造成严重的事故，而通过三维激光扫描仪可以有效对沉陷区进行测量，建立沉陷区域模型，从而对沉降情况进行有效的评估和决策;第二，矿山巷道的测量。通过三维激光扫描仪进行矿山井下测量时，可以建立井下巷道模型，实现井下开采管理和变形监测相关工作目标，同时在巷道掘进中，可以更加直观的掌握巷道贯通量和井下场地开拓超欠挖测量等数据，从而极大的提高了矿山资源的开采效率。

三、三维激光扫描仪未来的发展研究

尽管三维激光扫描仪在露天矿山测量中发挥巨大的优势，但是其也不可避免的存在一些问题，例如误差因素的存在，所以这也就成为未来一段时间需要重点研究的工作内容。总体而言，三维激光扫描仪在实际应用中存在的误差包括以下两方面：第一，仪器自身所造成的误差。该误差主要是由于仪器本身的性能缺陷造成的，主要包括激光测距误差和测角误差等。激光测距信号处理的各个环节都会带来一定误差，主要是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理引起的误差。测距误差的综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器校检来确定它们的大小;测角误差主要有水平角测角误差和竖直角测量误差，该误差主要是因为扫描镜的微小震动、伺服马达的不均匀转动等综合因素引起的;第二，人为操作误差。操作人员的熟练和细心程度不同会引起地面三维激光扫描仪在对中、整平、目标框选以及各种扫描参数设置等各方面中产生相应的误差。对于这些误差，应认真按照规范对中、整平，根据不同的条件合理设置扫描间隔、温度、湿度、大气压强等参数以减小这些人为误差的影响[1]。

参考文献：

[1]荆洪迪.基于三维激光扫描的岩体节理信息提取研究[D].东北大学，2013.

[2]余乐文，张达，陆得盛，乔莎，韩志磊.矿用三维激光扫描仪关键技术研究[J].矿业研究与开发，2015，35（04）：71-74.

[3]施展宇.地面三维激光扫描技术在开采沉陷应用研究[D].西安科技大学，2014.

[4]许寅年，王江，杨兰强.三维激光扫描在矿山动态储量监测中的应用研究[J].土工基础，2016，30（02）：251-254.