探讨长测距三维激光扫描仪在露天矿山测量中的应用

蔡 璋，罗来林，王 晟，谭清燕，李 欢

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿,江西 九江 332100）

1 引言

高新技术和自动化设备是矿山智能化的基础，也是提高矿山生产效率、经济效益的重要手段。矿山智能化发展应从小范围、分专业入手，努力提升区域智能化技术水平，而采用长测距三维激光扫描仪进行露天矿山测量是探索矿山区域智能化发展道路之一。随着三维激光扫描仪硬件及软件的发展和进步，“实景复制”技术［1-2］在矿山测量，尤其是长测距三维激光扫描仪在露天矿山中的应用前景广阔。目前城门山铜矿在智能化矿山建设中引进澳大利亚Maptek公司最新研发的I-SiteXR3CT长距离三维激光扫描仪，为矿山智能化建设提供基础数据和模型，通过探讨三维激光扫描仪测量方法、程序和采剥工程验收，为该设备在露天矿山其他工程上应用提供参考。

2 三维激光扫描仪测量原理

2.1 三维激光扫描仪组成及坐标反算原理

三维激光扫描仪主要包括激光测距系统、扫描系统、控制系统和内部摄像系统等几个组成部分，测量的核心是距离测量［5］，通过测量站点与目标点位之间的距离反算目标点位的三维坐标。三维激光扫描仪一般按设定的旋转轨迹及间隔自动发射一定扫描水平角度（α）、扫描垂直角（β）的激光，通过测量激光从发射、反射至接收过程的时间（t）确定目标物与扫描仪之间的距离（S），其原理如下：

目标点位坐标计算公式［3-4］：

图1 三维激光扫描仪坐标反算图

2.2 测距原理

三维激光扫描仪测距原理一般又分为脉冲式、相位式、三角式三种［6］。其中空脉冲式测距原理主要根据测量脉冲信号的往返时间（t）与脉冲信号在空气中的传播速度（v）计算而来，公式如下：

为了较精确的计算出脉冲信号的往返时间，在三维激光扫描仪内部可以设置一个脉冲计数器，当脉冲信号发射时触发脉冲器计数，当信号返回时触发脉冲器停止计数。假设在一次测量过程中，脉冲计数器计数个数为N，脉冲频率为F，则脉冲往返时间为：

图2 脉冲式时间测量原理图

2.3 仪器参数

仪器参数见表1。

表1 三维激光扫描仪参数

2.4 仪器操作步骤

仪器操作步骤见图3。

图3 三维激光扫描仪操作步骤图

3 城门山铜矿露天矿山采剥工程测量验收的应用

3.1 工程概况

对城门山铜矿采矿场进行三维激光扫描仪采剥工程量测量验收。该矿山为露天铜金属矿山，其采矿场面积约为1.44km2，该矿山西、北面邻赛湖、东面靠山。采区边坡南部、北部植被较茂盛，东部、西部稀疏。测区最大落差为230m。

针对该矿山地形地貌情况，采用三维激光扫描仪进行采剥工程测量验收。掌握该设备在该测区测量效果及工程量的准确性情况。

3.2 数据采集

3.2.1 建立控制网

针对该矿山采矿场地形现场踏勘及三维激光扫描仪I-Site XR3性能情况，在采区四周通视良好区域布设共计5个图根控制点。利用该矿山已有的CORS基站，进行图根点测量，误差在2cm范围内，图根控制点坐标及控制网如表2、图4。

表2 图根控制点坐标

图4 测区控制网图

3.2.2 数据采集

根据三维激光扫描仪操作步骤，对该区域进行一期、二期数据扫描，数据采集间隔时间9天。为保障数据采集准确可靠，测站点坐标与后视点坐标设置如下，一期共计采集全部5站数据。因仅进行局部数据采集，二期测量验收在一期基础上仅需采集3站即可完成基础数据采集。见表3。

表3 一、二期数据采集测站情况表

3.3 数据处理

数据处理采用Maptek公司的点云处理软件PointStudio，经过数据匹配、噪点过滤、建立模型、方量计算和结果输出等过程。

数据匹配是将各测站点数据相对坐标匹配至绝对坐标。由于I-Site XR3三维激光扫描仪测量模式较多，其相对坐标系多样，常用的有内部罗盘定位和外部控制网控制点约束扫描测量两种模式。后者定位准确，不需要数据匹配，前者误差相对较大，在3～5m之间，需要进行数据匹配。匹配可以按点名匹配、全局匹配、按时间匹配、按架站方式进行配准等。在全局匹配过程中，特别要注意公共区域的选择，尽可能选择公共区域较多的测站进行匹配，其配准精度较高。见图5。

噪点过滤是对扫描仪扫描的现场移动设备包括车辆、人员、粉尘等数据的过滤。主要的过滤方法包括范围过滤、角度过滤、多边形过滤、平面过滤、近程过滤、粉尘过滤、最小间隔过滤、地形过滤、孤点过滤、强度过滤等方式（图6）。

图6 地表上过滤车辆图

数据建模是对现状的模拟，形成三维立体模型。主要的手段是先创建地表模型，对地表模型进行削峰处理、填洞、三角网编辑，然后对凹型地形进行球面建模、特殊地形点位提取并进行复杂表面建模，根据以上3类模型进行表面组合优化，形成最终区域地表模型（图7）。

图7 北部-58台阶一、二期地表模型

方量计算及结果输出是对两期地表模型进行叠加处理，只要在PointStudio软件中设置基准模型、计算模型、边界及相关量参数，即可自动计算出两者填挖方量（图8）。

图8 西北-70台阶填挖方量计算结果

3.4 采剥工程量测量对比

通过对采剥区域的坎上、坎下、地板特征点进行现场人工采集，共采集坐标约600个，与以往数据叠加，约计4000个测量点数据。同时利用两期地表面积圈算公式，计算西北-70台阶等3个区域方量情况。体积计算是根据测量对象的形体，采用合理的计算公式和计算方法。

其相对差＜40% ，采用

其相对差＞40%，采用

式中：H为实际段高，S1、S2，上下对应面积。

根据上述体积计算公式计算出西南-58台阶两期方量为：

图9 西南-58台阶两期圈定界限图

通过上述方法，形成了三维激光扫描测量结果和GPS-RTK方量测算对比表，计算结果如表4。

表4 三维激光扫描仪与GPS-RTK方量测算对比

3.5 误差分析

从上述表中结果看，可以明显发现西南-58平台和西北-70区域平台方量测算结果相对误差分别为-2.98%、-1.27%，低于允许误差值4%；而北部-58平台计算误差值达到15.08%，远远高于允许误差4%。

针对北部-58平台计算误差过大情况进行分析，我们发现2019年4月26日GPS-RTK早上测量界限灰色界限与三维激光扫描仪测量界限黄色界限几乎吻合（见图10），而本次测量结果为红色界限，该界限为GPS-RTK在4月26日下午再次采集结果，因此该方量已经计算至上月报表中，直接导致本次测量结果误差过大。经计算该区域方量V=SH=1732.40m3，按照实时界限重新计算北部-46平台区域方量发现，其误差为2.42%，在允许误差4%范围内。

图10 北部-58台阶26日GPS与三维激光扫描仪测量界限对比图

3.6 优点及测量注意事项

3.6.1 优点

三维激光扫描仪相对于传统GPS-RTK测量的优点主要包括以下几个方面：

（1）外业测量时间短。该长测距三维激光扫描仪测量方圆一公里的露天矿区，仅仅需要3～5站，每站测量时间约为20min，纯测量时间在2个h以内，考虑车程，一般一个上午就可以完成外业数据采集。而传统GPS-RTK要完成等同范围内的现状，以1+2模式RTK为例，需要3～5个工作日。三维激光扫描仪大幅提高了外业数据采集效率，减轻了测量人员外业工作量。

（2）测量数据采集密度高，可靠性好。矿山开采过程中，受地形地质、采剥工艺等要求，临时边坡、推进线等现状存在不规整现象，现场临时作业平台、挡墙等安全设施，在三维激光扫描仪模式下，能够实景还原，测量数据密度高，点位平均密度高于0.1m，可靠性好。传统测量方式一般选择特征点，或者一般以10m的密度测量，点位代表性有限。

（3）自动化程度高。三维激光扫描仪在测量过程中，仅仅需要按天气、温湿度、大气压、数据获取参数等，经设站定向后，能够自动完成数据采集，中间无需人工操作。对局部重点区域还可以加密扫描仪，进行人工干预测量。

（4）自带线性相机，测量点实景着色。三维激光扫描仪带有1.5亿像素线性照相机，扫描数据能够实景着色，便于数据处理。测量过程中需要对地形地物进行编码标记，而三维激光扫描仪不需要，可以利用超高像素照相机点位着色查看。根据点位颜色确定地形地物处理方式。

（5）三维立体建模。传统测量均为二维数据处理，三维激光扫描仪数据处理上升为三维立体处理。数据具备立体感，直观性较好。

（6）减少工作人员，降低人工成本。不管是传统的全站仪还是GPS-RTK，在测量过程中，往往参与的测量人员较多，从技术角度上看，传统方式测量人员一般为2～3人，而三维激光扫描仪仅需要1～2人即可完成作业，大大降低人工成本。

3.6.2 测量注意事项

三维激光扫描仪测量过程中主要需要注意以下几点：

（1）三维激光扫描仪较重，三脚架不稳情况下，不利于设备安全。

（2）三维激光扫描仪仪器附近100m以内不能有棱镜，容易造成设备激光发射器部分损坏。

（3）三维激光扫描仪测量距离较远，后视点设置应不低于200m。

（4）三维激光扫描仪搬运过程中，尽量避免上下把手同时握住，容易损坏旋转螺纹。

（5）三维激光扫描仪测量控制器不应距离设备10m，容易导致数据丢失。

（6）测量仪器高时，注意起算点，有正负之分。

（7）应根据实际天气情况设置参数，天气设置错误也是导致数据采集质量差的原因之一。

4 结论

通过三维激光扫描仪与GPS-RTK对采区各平台方量测算对比计算和分析，初步了解和掌握了三维激光扫描仪方量计算方法和程序。本次主要以西北-70平台、西南-58平台、北部-58平台等3块区域进行测算对比，计算分析后，测量结果均在允许范围之内，测量结果对比符合预期。

长测距三维激光扫描仪测量距离远、测量自动化程度和测量精度高、测量结果时效性好，采用非接触性测量模式，能够实时、快速的完成露天矿山采剥工程量的测量验收，测量结果符合预期，对今后采用长距离三维激光扫描仪在矿山测量中应用具有较大的参考价值。