Maptek三维激光扫描技术在玉龙铜矿采剥工程测量验收中的应用

赵文奎 陶孟德 陈 旭 陈金瑞

（西部矿业集团西藏玉龙铜业股份有限公司）

三维激光扫描技术被誉为是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命［1］。三维激光扫描技术是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像测量技术，它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据［2］。玉龙铜矿月度工程量验收及现状图测量采用传统方法GPS-RTK，该方法只能进行单点数据的采集，测量人员工作强度大、效率低，而且数据采集密度和精度受人为影响较大，一些平台坡面角较大且存在浮石、伞岩等现象，存在一定安全隐患。鉴于上述情况，玉龙铜矿于2018年底引进了Maptek I-Site XR3三维激光扫描仪，主要应用于现状图测量、工程量验收、边坡稳定性检测、地质编录等工作，工作效率、质量、精度、安全性等各方面较传统方法有了大幅度提升。

1 矿山概况

玉龙铜矿属于特大型露天矿山，铜金属储量达658万t，是国内最大的单体铜矿，矿区位于西藏自治区昌都市江达县境内，矿区海拔高度4 560～5 124 m。目前正在进行改扩建工程，基建剥离及生产采剥平台共计40个，采剥区域面积约4.0 km2。达产后出矿量约1 989万t/a，采剥总量约2 200万m³/a。

2 设备参数及工作原理

Maptek I-Site XR3三维激光扫描仪是一款能够适应高寒地区的长距离测量仪器，其主要应用领域为大型露天矿山，考虑到矿山工作环境，该设备防护等级为IP65，能够适应最低温度为-40℃，加之其一体化的设计，大大提高了对恶劣环境的适应。具体参数见表1。

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三维激光扫描的主要原理为激光发射器发出激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿相同的路径反射传回到接收器，通过计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β，从而得出目标点的空间直角坐标Xp、Yp、Zp［3-6］。原理如图1所示。

3 工程量验收流程

3.1 现场踏勘

为避免在矿山工程量验收时出现盲区、重复扫描、扫描距离过大等现象，验收前应对矿区进行实地踏勘，以确定最佳扫描路线，同时对测站数目和位置进行初步设置，确定扫描范围［7］。由于玉龙铜矿目前大部分采剥区域为山坡露天矿，坡面及山谷区域所需测站数较少，山脊区域需要测站数较多，整体需要测站数目约20站。测站布置如图2所示。

3.2 数据采集

设备内置测量型望远镜，采用类似全站仪的操作模式，可以实现绝对坐标测量，如果所有扫描数据都通过望远镜进行后视定向操作，则后期数据无需拼接，可大大提高内业效率，并提高数据精度。数据采集速率有50、100、200 kHz 3种，目前主要采用100 kHz，需要时间约4 min/站。数据采集时可以通过工业级平板电脑控制，数据可实时传输至平板电脑，并可实时三维查看点云数据，及时了解数据质量，及时补测数据盲区。

3.3 数据处理

原始采集点数据量约500万个，由于采集的原始点云数据中存在地表设备、人员、植被、积雪及空间粉尘等，且点数据较为密集，故不能直接应用于模型建立，需通过配套软件PointStudio对20个测站数据利用重复点进行定向配准，然后对点云数据进行干扰点剔除、过滤、抽稀等操作［8］，处理后点云数据量约56万个，点云数据处理质量直接影响工程量计算的准确性。点云数据处理前后剖面对比见图3，处理后全局点云数据见图4。

3.4 三维模型建立

PointStudio软件对处理过的点云数据可自动生成三维实体模型，经过消峰处理后，可真实反映矿山地形现状。同时，PointStudio软件可根据生成的矿山三维模型自动生成等高线、坡顶线、坡底线，方便后期图件的编制［8］。三维实体模型及等高线见图5。

3.5 工程量计算

在PointStudio软件中将两期三维模型叠放并进行全局配准，一般配准范围为2～1 500 m，最终平均取样均方根间隔达到20～30 cm，即能满足工程量计算要求。并根据不同矿岩类型、平台、剥离范围等圈定采剥带，目前月度采剥带数量50～80个，圈定后根据不同采剥带自动生成工程量报告。两期数据全局配准前后剖面对比见图6，两期叠加及采剥带范围圈定见图7。

4 Maptek I-Site XR3与GPS-RTK综 合 对比

针对玉龙铜矿采矿区月度工程量验收，将GPSRTK与Maptek I-Site XR3进行了对比［9］，相比GPSRTK采集的点位数据，Maptek I-Site XR3采集的点云数据更能真实地反应出复杂地形的现状，确保验收数据的准确性。相关参数对比见表2。

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5 工程量复核成果

为保证矿山采剥工程量验收数据准确性，玉龙铜矿每半年邀请具有测绘资质的第三方单位对矿山采剥工程量进行复核，第三方复核单位使用同型号三维激光扫描仪。月度验收总量与半年度复核总量偏差在±3%（包括3%）以内，以月度验收量为准，否则以复核工程量修正月度验收累计工程量。截至目前共计复核3次，偏差均在±3%以内。工程量复核明细详见表3。

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6 结论

MAPTEK I-Site XR3三维激光扫描仪应用于露天矿山工程量验收工作需要重点注意的环节：①根据地形进行站点布置，避免出现扫描盲区；②定向配准，提示“配准成功”即可；③点云数据的剔除、过滤、抽稀等操作处理；④全局配准，最终平均取样均方根间隔数据需达到精度要求；⑤严格按照实际采剥范围圈定采剥带，范围线偏移会影响采剥工程量数据。

实践证明，MAPTEK I-Site XR3三维激光扫描仪通过非接触式测量，在保障测量人员安全的前提下，能够快速采集采区点云数据，通过海量点云数据三维重构，建立矿山现状模型，可以实现露天采矿区工程量的快速验收，具有获取数据速度快、精度高、全自动化、全天候作业等特点［10-11］，尤其在大型露天矿山，在提高测量工作效率的同时能够最大限度地还原采区地形现状，一方面保证了验收工程量的准确性，另一方面可为后期采矿、地质、测量工作提供可靠、真实、高精度的基础数据，从效率、安全、质量等方面均能满足露天矿山工程量验收及日常测量工作需求。