三维激光扫描的露天矿山储量动态监测系统设计

张军伟

（甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000）

矿山储量动态监测过程中，一般通过外业测量，也就是通过利用测量设备对数据信息进行收集，也可使用内业测量，也就是SD法获取数据，根据数据信息对矿山储量进行全面考量。测量人员通过采用测量仪器，对矿山储量检测时，需要按点进行全面采集，但是所采集的效率相对较低，而内业测量分析工作较为繁琐，难以快速完成矿山资源储量检测[1]。不过在使用三维激光扫描技术的过程中，可有效解决外业测量与内业测量所存在的问题，同时可构建良好的动态检测系统，实现露天矿山储量动态监测。

1 三维激光扫描技术的应用

三维激光扫描仪在使用过程中，可快速获取测绘目标的三维影像数据信息，测绘人员可突破传统测绘方式，全面做好数据挖掘工作与数据开发工作。三维激光扫描仪具备精确度高、速度快等特点，可测量大范围的内务，同时也能对物体的局部信息进行全面掌握。

通过对三维激光扫描技术的有效运用，可提高对矿山储量动态监测效率，提升动态监测的整体精密度。在不同的区域中进行测量时，应当依据测区实际情况，配合GPS技术，落实好导线控制点测量工作[2]。在导线控制点中，架设测量仪器的过程中可进行全面扫描，但是在不同位置架设测量仪器的过程中，需要扫描公共标靶，实现站点之间的拼接配准，实现整体联测。在使用三维激光扫描仪的过程中，扫描速率可达到10000点/s，最高可达到1000000点/s，在一个小时内，完成数十万平方千米的运输局采集，能全面提高数据采集效率。

三维激光扫描仪在露天矿山储量应用中，可确保矿体取样的准确性，同时也可对矿体质量进行全面评定，实现矿体结果勘探预测，同时对矿山各项数据信息进行采集，根据数据信息绘制云图，实现全面管理。

2 露天矿山扫描及精度分析

2.1 外业扫描

（1）扫描仪器与数据处理软件。在实验的过程中，所使用的三维激光扫描仪器的扫描速率超出了100000点/s，在数据信息全面收集的过程中，需要控制好点位密度。确保每一个点位测量达到标准，从而满足项目需求。在点位测量中，测量精度控制在2mm以为，扫描距离在超出300m后，则可根据测量数据信息，进行云数据分析。

（2）扫描方法与作业流程。在试验的过程中，通过采三维激光扫描仪对标靶信息进行采集时，一般标靶为2.5英寸的圆形标靶，铜锁对矿区的所属区域与施工进行全面控制的过程中，可扫描4个测站点，确保测站点间距控制在200m左右后，将3个标靶作为选择测站试点[3]。

2.2 数据处理

（1）点云数据拼接。通过采用外业扫描所获取的信息，需要利用IGGIII方案，结合Cyclone软件的标靶凭借功能，实现云数据凭借。在多种扫描测站中，第一站为基准点，其余的测站点需要以基准点为主，对后视标靶收集坐标信息进行全面收集完成拼接，在拼接技术后，需对云数据进行转换，满足测量坐标系统需求。

（2）加权总体最小二乘基本原理。加权总体最小二乘球面拟合的EIV模型为：

在EIV模型中，其中Y属于含偶然误差eY的n×1维观测向量，A则为含偶然误差EA的n×4维系数矩阵，X为待求球面参数：

（3）权函数选取。由于测量点云数据信息很容易受到外界因素影响，造成数据不准确，考虑IGGIII方案在使用的过程中，可有效提高测绘效果，所以在本次研究中，采用IGGIII方案对云数据信息进行计算，对所存在的拟合全阵进行全面调整，权因子计算公式如下所示。

在工事中，Vi属于残差，σ属于误差，k0、k1则属于阈值，通过中误差分布概率对其进行分析的过程中，k0值在1～1.5之间，k1值则在2.5～3之间，ω为权因子。根据IGGIII方案，假设k0值为1.5，k1值为2.5，那么观测值Vi＜σ，如果权因子不发生任何变化，观测值则为粗差，可忽略不计。

3 三维激光扫描的露天矿山储量动态监测系统设计

三维激光扫描在露天矿山储量动态检测系统中，可对矿山内部的资源数量全面掌握，系统在设计的过程中，主要以三维激光扫描硬件系统组成，主要就是为实现露天矿山储量资源的真实云数据功能，在系统设计中，利用了三维激光扫描仪、580线红外固定镜头防水摄像机与DELLM6800工作站。同时还结合使用了后处理软件系统，通过扫描得到三维点云数据，以此来进行建模计算，实现数据远程传输、数据监管等功能。

3.1 三维激光扫描系统硬件设计

三维激光扫描仪硬件设计中，主要包括对水平吊证单元、数据采集单元以及中央控制单元等。系统电源额定电压为220v，通过采用无线网络让上位机软件控制三维激光扫描仪，对矿山地区进行360°无死角旋转勘测，同时对矿山资源进行全面掌握，该过程无需采用云数据拼接。采用安全激光进行扫描，激光波长需要控制在900nm左右，避免对矿山工作人员与矿山资源造成影响，扫描半径范围可达到100m左右，三维激光扫描工作在实施的过程中，可对露天矿山储量数据信息进行获取，同时处理数据信息，实现数据建模。在后期处理中，需要通过三维建模数据处理获取真实准确的数据信息，以此确保三维激光扫描系统构建质量。通过脉冲测距，可利用三维空间，获取露天矿山实地场景。不过使用三维激光扫描的过程中，需要全面控制好激光传播时间，确保扫描点距离，距离值为Sp，每个激光脉冲横向扫描角度观测值为∅，纵向扫描角度观测值为ω，利用以上三维数据信息构建三维坐标系，同时在使用扫描仪的过程中，可对仪器内部坐标系统进行全面分析，同时对扫描内部坐标系统进行具体分析，从而获取三维激光坐标点计算公式：

3.2 三维激光扫描控制系统设计功能

三维激光扫描仪控制系统设计主要以系统参数为主，在云数据采集的过程中，需要控制好数据信息显示，保障数据信息储存等，系统在全面开发的过程中，合理运用Java语言开发程序，在计算机系统控制中，确保执行效率。露天矿山储量动态监测系统功能的实现主要以软件功能设计为主，其中包含了扫描仪控控制设计及预留接口设计两部位，扫描仪控制设计主要包含了连续性扫描控制、扫描速度控制、扫描仪归零控制、数据传输与云数据处理等功能。

3.3 维激光扫描动态监测系统运行设计

三维激光扫描仪动态监测系统工作运行的过程中，其运行方式包含了以下几方面。①需要通过仪器连接，设置IP地址，随后通过利用无线网络，连接扫描仪，点击扫描按钮，即可自动对露天矿山储量进行全面监测。②三维激光扫描仪器在使用的过程中，参数初始自动归零，确保仪器初始数据为零，测量工作人员在控制过程中，需要在每一次使用扫描系统的过程中，确保系统重新归置，提高三维激光扫描仪器数据信息收集的精确度。③设置电机转速。在系统运行的过程中，运动控制包含了速度、位移两种模式。系统在对矿山储量进行检测过程中，一般会默认为速度模式，在速度模式下，需要制作数据编辑框，在数据框中加入相应的速度值，从而工作人员可制动点击速度按钮，系统运行过程中，即可根据速度模式进行移动。在系统速度设置框中填入合适的速度数值，然后点击设置速度按钮，电机即进入以速度模式进行移动。在位移模式下，需要在系统位移设置框中，填入相应的位移数据，从而让三维激光扫描仪进入位移模式，对露天矿山储量进行系统研究。④数据传输与存储。在系统运行设计过程中，需要通过利用计算机控制中心软件构建数据库，对扫描数据信息进行储存，同时在设置数据信息文件过程中，对文件信息进行传输，确保接收仪器在自动接收数据信息后，可自动将信息录入文件，并上传到数据库中。同时相关工作人员需要对数据路进行更新。⑤数据文件转换，在对所保存的原始数据信息进行扫描后，需要处理文件，从而生成云数据文本文件，利用数据浏览工具对文化信息进行转换。

4 结语

在三维激光扫描仪器的作用下，通过设计露天矿山储量监测系统，可及时对矿山资源进行全面掌握，同时根据矿山储量情况，设计安全可靠的技术方案，节省大量的人力资源与物理资源。此外，在三维激光扫描仪器的应用下，所获取的数据信息更加精确，可通过三维加墨为工作人员提供更加直观的数据信息。