三维激光扫描技术在尾矿库改造地质测量中的应用

顾传胜

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230000）

改革开放后的三十年，国内的采矿业得到了快速发展。对于开采完毕的尾矿库改造过程中会遇到不少问题，就尾矿库自身而言，经过大力开采活动后尾矿库地质结构遭到严重破坏，其次因外部因素的影响，包括降雨、地震、刮风、过度开采等，都将导致尾矿库地质结构或地质构造有着不同程度的损坏，由于过快的采矿业发展速度和不合理的开采活动，已开采完毕的尾矿库地质环境面临着污染严重和破坏严重的巨大压力，所以对尾矿库改造是十分必要的[1]。

地质测量是尾矿库改造过程中重要的工作内容，其测量精度和效率将直接影响到尾矿库改造质量，传统方法主要是凭借以往的经验来推测出尾矿库改造地质测量结果，这种方法不仅测量效率较低，更主要的是测量结果具有一定的主观性，所以传统方法已经无法满足尾矿库改造地质测量需求，为此提出三维激光扫描技术在尾矿库改造地质测量中的应用。

三维激光扫描技术作为一门新兴的地质测量技术，为尾矿库空间三维数据的收集提供了一个全新的技术手段，由于该技术具有数据获取精准、快速的优点，目前已成为尾矿库改造地质测量的重要技术之一[2]。

从二十世纪九十年代第一台地面三维激光扫描仪被研制成功并投入使用，在四十年不到的光景里，三维激光扫描技术凭借自身的优势被应用到各种测量领域中，并在国内外取得了良好的应用成果，此次将三维激光扫描技术应用到尾矿库改造测量中，形成一种新的测量方法，为尾矿库改造地质测量提供重要的参考依据。

1 基于三维激光扫描技术的尾矿库改造地质测量方法

1.1 尾矿库改造地质数据采集

地质数据采集作为尾矿库改造地质测量过程中基础工作，收集到的数据质量对测量结果具有直接影响，为了保证数据采集精度，此次采用三维激光扫描技术对尾矿库改造地质数据进行采集，三维激光扫描技术对地质数据采集所使用的主要仪器设备有全站仪和精密水准仪，下表为三维激光扫描技术指标。

表1 三维激光扫描技术指标

在对尾矿库改造地质数据进行采集之前，需要根据尾矿库现场测量环境以及测量需求确定出稳定、平坦、合适的位置建立三维激光扫描观测站，利用精密水准仪和全站仪对三维激光扫描观测站地理位置进行测算，此外还要根据待扫描测量的尾矿库的面积大小，地理位置以及环境影响因素合理确定出三维激光扫描观测站点数量。

鉴于通常需要改造的尾矿库范围比较大，为了控制三维激光扫描技术精度，不仅要在尾矿库中心内部布置三维激光扫描观测站，还要在尾矿库四周均匀设置观测站，但是观测站拼接后发现尾矿库的地势最高处会出现地质数据空缺，这主要是由于通常尾矿库整体地质并不是平坦的，而是有一定的坡度，而精密水准仪和全站仪是架设在尾矿库的一端，地势较低，所以在对尾矿库进行三维激光扫描测量时，激光到达尾矿库地面的入射角过小，反射回来的地质脉冲信号比较弱，尾矿库地质比较高的地质数据越来越少，尤其到尾矿库最高处光线被遮挡住，导致获取到的地质数据不够全面，为了解决该问题，还需在尾矿库中心地质最高位置设置一处观测站，起到连接作用，使整个尾矿库地表都有数据覆盖。

三维激光扫描技术具体数据采集过程如下：①将精密水准仪和全站仪假设到预选设定好的观测点处，连接电源与网线，当扫描仪器上的指示灯由绿色变成红色时就可以对尾矿库进行激光扫描[3]。②将扫描仪器连接网络，打开HJclone软件和扫描窗口，在计算机中设置IP地址，将扫描仪器与IP地址连接，点击HJclone软件主菜单，将扫描仪器与控制软件连接进行扫描操作。③在HJclone软件内根据尾矿库改造地质测量要求，设置三维激光扫描测站编号、扫描高度、扫描密度以及扫描距离[4]。④根据精密水准仪与全站仪的相对位置，在软件控制界面选取扫描区域进行拍照与激光扫描，扫描后得到的数据存储到统一文件中，以此完成尾矿库地质改造数据采集。

1.2 尾矿库改造地质数据处理

利用三维激光扫描技术对尾矿库扫描时，由于天气、光线、遮挡物、地表植被等外界因素的影响，导致收集到的数据不够全面，并且采集的数据不全是关于尾矿库的数据，所以需要对采集的数据进行处理[5]。首先对原始数据进行简化压缩处理，删除无效数据与无关数据，将所要研究的尾矿库数据进行提炼，为了避免在数据处理过程中出现数据误删现象，对数据处理过程需要分批次进行，并且每次处理过后的数据要进行备份。然后对删减后的数据进行拼接处理，拼接处理就是将尾矿库所有观测站点的数据转换到同一个坐标系内，将其形成一个统一的整体，以此完成对尾矿库改造地质数据处理。

1.3 尾矿库改造地质分析

虽然经过数据处理后会得到精简后的尾矿库改造地质数据，但是数据整体基数还是比较大，如果直接对其进行分析，具有一定的分析难度，所以此次利用三维地质模型对尾矿库改造地质进行分析[6]。

三维地质模型是由空间离散的密集点构成，将处理后的数据输入到三维地质模型中，每个地质数据都能与模型上的密集点进行对应，然后通过模型固有的算法对数据进行模拟，表达出尾矿库改造实际结构形态的拓扑关系，通过三维地质模型分析出尾矿库改造地质特征，以此实现了基于三维激光扫描技术的尾矿库改造地质测量。

2 实验

实验以某尾矿库为实验对象，该尾矿库整体面积为12665m²，年受尾量为150万吨，总库容达到1564万m³，其中有效库容为1469万m³，最终坝体标高175m，属于三等尾矿库，该尾矿库采用的是下游式筑坝，为凹谷型尾矿库，由于该尾矿库内部出现局部坍塌，急需对其进行改造。实验利用此次提出测量方法与传统方法对该尾矿库改造地质测量，对比两种方法的测量偏差，其计算公式如下：

公式（1）中，d为数据采集点到尾矿库中心的距离；s为数据采集点到尾矿库边缘之间的最短距离；λ为测量站点数据。利用上述公式计算两种方法的测量误差，实验结果如下表所示。

表2 两种方法测量误差对比（m）

从上表可以看出，此次提出方法在测量误差方法远远优于传统方法，且低于标准误差，证明此次提出方法可以满足尾矿库改造地质测量精度要求。

3 结语

此次将三维激光扫描技术应用到尾矿库改造地质测量中，形成一种新的测量方法，且该方法具有较高的测量精度和测量效率，对尾矿库改造地质测量具有良好的应用价值，由于此次研究时间有限，对于三维激光扫描技术在尾矿库改造地质测量中的应用研究尚浅，今后还需要在该方面进行深入研究，推广三维激光扫描技术在尾矿库改造地质测量中应用。