王孟英

摘要：對于露天礦山而言，其生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣，加之其需要在開采完后及時進行土石填補，所以需要先進的測量技術進行支持。然而對于傳統(tǒng)的測繪技術和手段而言，很難達到理想的要求，無法確保測量結果的效率性精確性。而三維激光掃描儀作為一種新型的快速的測量設備，可以快速準確的生成數(shù)字模型，特別適用于露天礦山測量工作中，同時相對比其它測量技術，三維激光掃描儀還具有測量速度快、準確性高以及操作簡單等優(yōu)勢，所以應用前景十分廣闊。本文首先對三維激光掃描儀相關原理和特點進行分析，進而對其在露天礦山測量中的實際應用進行深入探討，旨在為業(yè)內人士提供一些建議。

關鍵字：三維激光掃描儀;露天礦山;測量工作;應用

一、三維激光掃描儀的原理和特點分析

（一）三維激光掃描儀的基本原理

三維激光掃描系統(tǒng)構成部分包括電源供應系統(tǒng)、控制器和掃描儀，通過對CCD與儀器內部控制等系統(tǒng)的集成，發(fā)揮出激光測距與激光掃描等功能。儀器中利用兩個同步反射鏡進行快速有序的旋轉，將激光脈沖依次掃描過被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間來計算，并對控制模塊控制與測量每個脈沖激光角度進行掃描，將被測物體上激光點的三維坐標計算出來。

（二）三維激光掃描儀的主要特點

相對比傳統(tǒng)的測量手段，三維激光掃描儀主要通過非接觸的方式進行實物的三維坐標獲取，其所獲取的點云格式可以直接在計算機相關處理軟件中應用，極大的提高了測量效率和質量，三維激光掃描儀的主要特點體現(xiàn)在以下七個方面：第一，非接觸性。傳統(tǒng)的測量的手段大都需要人工的介入，在一些復雜地形測量時，很難確保測量結果的準確性，同時也會給人員生命安全構成威脅。而三維激光掃描儀的非接觸性特點，可以在不需要人工介入的情況下獲取實物三維坐標，極大地降低了人工勞動力;第二，測量效率高。三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用效率較高，通常情況下其點位獲取的速度可以達到十萬次每秒，同時該技術還比較適用于一些大面積實物三維坐標信息獲取中，可見其在測量效率方面的優(yōu)勢巨大;第三，實時主動性。不同于以往的測量技術，三維激光掃描儀可以主動發(fā)射信號，不需要憑借外部光源進行測量，通過對發(fā)射信號的回波探測，即可實現(xiàn)對實物坐標信息的獲取。另外，三維激光掃描儀的應用還不會受到時間和空間的制約，可以實現(xiàn)全天二十四小時的實時測量;第四，穿透性。由于三維激光掃描儀采樣的間距較小，同時采樣密度較大，所以對于一些植被稀疏的礦區(qū)測量，可以確保激光信號直接到達目標實物，獲取目標的不同層面幾何信息;第五，準確性。三維激光掃描儀所獲取的目標信息具有高密度和高精度的特征，并且采樣點分布相對均勻、分辨率較高，所以確保最終測量結果的準確性和可靠性;第六，自動化。

該技術作為數(shù)字化時代的主要產(chǎn)物，具有良好的自動化特點，其數(shù)據(jù)采集、存儲和處理都可以自動完成，極大的降低了人工操作存在的失誤率;第七，融合性。該技術可以與其它測量技術相結合使用，例如三維激光掃描儀與GPS技術的結合，在擁有自身優(yōu)勢的前提下，還融合了GPS技術的定位功能，可以更加高效的獲取實物的準確信息，最終確保測量結果的準確性。

二、三維激光掃描儀在露天礦山測量中的應用要點

本文主要研究了三維激光掃描儀在與GPS技術相結合的情況下，實現(xiàn)對露天礦山的相關測量工作，詳細環(huán)節(jié)如下：

（一）建立地面控制網(wǎng)

地面控制網(wǎng)的建立是測量工作的第一個環(huán)節(jié)，首先需要結合三維激光掃描儀和GPS技術，實現(xiàn)礦山控制網(wǎng)點的選取，然后利用三維激光掃描儀進行高精度的碎部測量，達到建立地面控制網(wǎng)的最終目的。在實際的建立過程中需要注意一點，相關技術的精度標準必須要符合《礦山測量》的規(guī)范要求，這樣才能達到實質性的測量效果。

（二）建立礦山模型

在完成地面控制網(wǎng)的建立后，需要在三維激光掃描儀碎部測量基礎上進行點位坐標的獲取，同時還需再次對礦山進行激光掃描，以獲得標準的點云數(shù)據(jù)群，然后通過相關軟件的后續(xù)數(shù)據(jù)處理和加工，生成露天礦山的DEM數(shù)據(jù)和點云模型，為后續(xù)工作的順利開展奠定基礎。

（三）獲取數(shù)字線劃圖

通過建立露天礦山開采模型，可以獲取相關的數(shù)字線劃圖。由于1m分辨率的礦山模型，其可以生成精度較高的數(shù)字線劃圖，所以對于高精度和分辨率的點云數(shù)據(jù)模型，可以通過拼接生成1：500～1：5000的數(shù)字線劃圖，為后續(xù)基礎數(shù)據(jù)的采集提供必要保障，而三維激光掃描儀在該環(huán)節(jié)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，對于露天礦山的相關基礎設施，包括控制網(wǎng)點、水塔、辦公區(qū)、管線以及消防配電設施等，可以有效進行空間位置的掃描，生成的空間坐標數(shù)據(jù)的精度較高，而且更加直觀形象，便于后續(xù)礦山模型的建立，同時數(shù)據(jù)在進行矢量化操作后，可以直接作為地形圖要素進行使用;第二，三維激光掃描儀在礦山數(shù)字線劃圖獲取中的應用效率較高，并且可以確保線劃圖具有高分辨率的特性。

（四）露天礦山井下設施的沉降監(jiān)測

對于露天礦山井下作業(yè)而言，其安全性十分重要，為了確保人員的安全性，需要進行井下設施的沉降監(jiān)測，這也是三維激光掃描技術應用的一個要點。因此，在具體的監(jiān)測時，可以應用三維激光掃描儀對井口設施進行詳細掃描，獲取相關數(shù)據(jù)，并且通過對數(shù)據(jù)的長期積累，可以建立相關的數(shù)據(jù)庫，從而便于工作人員分析設施的沉降變化。另外，三維激光掃描儀還可以實現(xiàn)井口數(shù)據(jù)的相對水準測量，同時可以確保測量點位信息的豐富性和準確性，數(shù)據(jù)觀測更加直觀。

（五）其它方面的測量

三維激光掃描儀除了在以上方面具有應用優(yōu)勢外，在實際的測量工作中，其還可以應用到其它方面，詳細體現(xiàn)如下：第一，露天礦山中沉陷區(qū)的測量。由于露天礦山在進行開采時，會造成地面出現(xiàn)沉陷狀況，一旦控制不到位，就可能造成嚴重的事故，而通過三維激光掃描儀可以有效對沉陷區(qū)進行測量，建立沉陷區(qū)域模型，從而對沉降情況進行有效的評估和決策;第二，礦山巷道的測量。通過三維激光掃描儀進行礦山井下測量時，可以建立井下巷道模型，實現(xiàn)井下開采管理和變形監(jiān)測相關工作目標，同時在巷道掘進中，可以更加直觀的掌握巷道貫通量和井下場地開拓超欠挖測量等數(shù)據(jù)，從而極大的提高了礦山資源的開采效率。

三、三維激光掃描儀未來的發(fā)展研究

盡管三維激光掃描儀在露天礦山測量中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢，但是其也不可避免的存在一些問題，例如誤差因素的存在，所以這也就成為未來一段時間需要重點研究的工作內容?？傮w而言，三維激光掃描儀在實際應用中存在的誤差包括以下兩方面：第一，儀器自身所造成的誤差。該誤差主要是由于儀器本身的性能缺陷造成的，主要包括激光測距誤差和測角誤差等。激光測距信號處理的各個環(huán)節(jié)都會帶來一定誤差，主要是光學電子電路中激光脈沖回波信號處理引起的誤差。測距誤差的綜合體現(xiàn)為測距中的固定誤差和比例誤差，可以通過儀器校檢來確定它們的大小;測角誤差主要有水平角測角誤差和豎直角測量誤差，該誤差主要是因為掃描鏡的微小震動、伺服馬達的不均勻轉動等綜合因素引起的;第二，人為操作誤差。操作人員的熟練和細心程度不同會引起地面三維激光掃描儀在對中、整平、目標框選以及各種掃描參數(shù)設置等各方面中產(chǎn)生相應的誤差。對于這些誤差，應認真按照規(guī)范對中、整平，根據(jù)不同的條件合理設置掃描間隔、溫度、濕度、大氣壓強等參數(shù)以減小這些人為誤差的影響[1]。

參考文獻：

[1]荊洪迪.基于三維激光掃描的巖體節(jié)理信息提取研究[D].東北大學，2013.

[2]余樂文，張達，陸得盛，喬莎，韓志磊.礦用三維激光掃描儀關鍵技術研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（04）：71-74.

[3]施展宇.地面三維激光掃描技術在開采沉陷應用研究[D].西安科技大學，2014.

[4]許寅年，王江，楊蘭強.三維激光掃描在礦山動態(tài)儲量監(jiān)測中的應用研究[J].土工基礎，2016，30（02）：251-254.