基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统

郭 志

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

矿山开采作业日益增多导致矿产资源日渐匮乏，在矿山地质测绘工程中，由于测绘地点和环境的不同复杂程度，测绘设备与方法也会根据实际情况进行调整，使测绘精度受到影响，产生一定的偏差，引起矿产资源规划的不协调，导致资源浪费[1]。为了提高地质测绘工程的测绘质量，地质测绘人员利用三维激光扫描技术对地质环境等因素建立三维立体坐标系，直观地展现矿山信息，以此获得测绘的原始数据，能够提高测绘的速度，是保证矿山开采安全和生产效益的有效方式[2]。矿山地质测绘系统为矿山的施工作业提供数据和信息来源，是地质测绘管理的关键组成部分。地质测绘系统实现了由人工操作到计算机自动化操作的转化，使测绘数据的计算、存储、查询都更加清晰准确，为资源规划与分析提供科学的参考[3]。将三维激光扫描技术与矿山地质测绘精度评估系统相结合，使测绘误差得到有效控制，满足矿山地质测绘的精度要求，保证矿山地质测绘工作的安全高效和节能环保是本次研究的重要目标。

1 基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统硬件设计

1.1 选取三维激光扫描设备

三维激光扫描技术测绘矿山地质主要应用的设备为三维激光扫描仪，三维激光扫描设备具有不同种类，根据本文的矿山地质测绘需求选取地面类扫描设备，选取的三维激光扫描仪型号为ILRIS—3DER，其设备特点是可视化能力强，扫描距离广，适用于矿山地质测绘工作。设备性能参数中，扫描距离为1000m～1500m，扫描速度为3000/秒。

1.2 设计传感器电路

基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统在整体上的设计需要针对矿山测绘精度评估工作的特点来进行。使硬件满足矿山地质测绘精度评估工作高可靠性、高实用性的标准。本文采用对数减波放大技术设计一种超声波传感器电路，使其满足传感器电路的灵敏度和电池续航持久的需求。传感器超声波的接收探头在局部检测中的灵敏度效果不好，因此选取高增益的前置放大器能够避免在传播过程中会出现反射、衰减现象，除此之外，低噪声前置放大器还可以避免信号处理过程中受到噪声干扰基于传感器内部结构和工作原理，设计电路如图1所示。

图1 传感器电路设计图

由图1可知，将无极性电容耦合输入到传感器的两个INPUT端，并与接地电阻组成滤波器，在每个电源处连接一个贴片封装电容。控制信号处理对传感器信噪比的影响，防止噪声耦合进入前置放大器，选用可以灵活调节阻值的精确电位器。

2 基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统软件设计

2.1 建立三维数据库

基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统的三维数据库主要负责数据管理与存储，为后续测绘精度评估做好准备。矿山地质测绘精度评估数据库主要包括地质测绘信息、地质剖面图、地形地貌数据等，本文的三维信息数据库是在对矿山地质勘测数据的整理和分析基础上建立的，在数据库生成过程中，利用相同坐标转换为初始化格式，在进行图像编辑前需要明确测绘的矿山地质体与地质体检的联系以及约束条件，编辑局部视图，将多个局部视图进行整合，直观地显示实际环境，最后导出数据。三维数据库建立使地质数据更加直观清晰，便于测绘人员掌握矿山地质信息，在施工中一定程度地对测绘人员的施工安全提供了保障。

2.2 构建矿山地质三维立体模型

建立矿山地质三维模型能够便于测绘人员对矿山地质构造情况，矿山种类等信息进行实时获取，利用计算机和图像图形绘制技术建模，通过可视化和三维数据化的处理展现在显示屏前方。在三维立体模型的构建中，首先需要确定矿山的坐标定位，在进行坐标处理转换定位时应注意不要影响数据精度。通过参数化几何形态、拓扑信息等来绘制地质矿体，提取地质特征，主要包括等值线、边界线等。利用不同的提取方法提取规则与不规则两种情况的做数据场等值线，边界线是三维模型中的重要部分，包括脊线和轮廓线，其中轮廓线可以通过形状、纹理、颜色的特征的变化来检测。对于封闭边界的提取需要根据不同的实际情况选择自动生成的方法。

2.3 处理评估三维点云数据精度

在矿山地质测绘中，测绘出的数据是否精确是测绘人员最为关注的问题，矿山测绘精度评估系统的精度评估包括单点精度评估、内符合精度评估以及外延伸精度评估，在精度评估前需要进行对三维点云数据的处理。点云数据是三维激光扫描的主要数据，在空间上呈离散性分布。单点定位测试需要对已知的静态等级点进行定位精度分析，采取三维扫描技术对矿山进行的坐标测量作为内符合精度的参考值，利用定位接收机接收定位来进行精度评估。为了解矿山地质各测绘点的外延伸状况，对矿山各方向外延伸精度数据进行处理，判断数据误差是否符合精度要求。

3 实验论证分析

为验证基于三维激光扫描技术的矿山地质测绘精度评估系统的有效性，通过实验论证分析，将传统测绘系统与本文设计的测绘精度评估系统进行对照，对比不同系统的测绘数据精度，具体精确度计算公式如下：

式中X为精密度，A为单次测绘数值，B为这一系列数据的平均值，前后共进行5次测试，得到对比结果如表1所示。

表1 实验精度对比表

由表1可知，表中的多次测试结果可以看出，本文设计的精度评估系统的测绘平均精度为91.20%，传统方法的测绘平均精度为80.54%，本文系统比传统系统的平均测绘精度高了10.67%，因此本文设计的精度评估系统比传统矿山测绘管理系统在数据精确度方面具有明显优势，且数据结果较为稳定，数据的精确度在矿山矿产资源利用和生产中起着重要的作用，本文设计的系统在测绘精度方面具有良好的效果，具有可靠性。

4 结语

近年来，随着科学技术在各领域中的应用越来越广泛，测绘人员在矿山地质测绘中进行了多种尝试，在测绘工作中结合了诸多信息化科学技术，将三维激光扫描技术与矿山地质测绘精度系统的适度结合能够提高矿山测绘的精度，保证了矿山地质测绘的质量和效率，减少人工作业的工作量，实现了测绘工程的技术升级，为我国地质测绘工作提供了参考。

但仍有诸多问题有待于在日后的研究中改进，如对于测绘数据的控制还可以更加优化，可以考虑对原始数据处理的智能化研究，从而使测绘数据更加有效，在实际矿山测绘中应考虑实际的矿山类型和不同的测绘需求，编制不同的测绘图件。