程華偉 錢小峰

（南京寶地梅山產(chǎn)城發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司）

梅山鐵礦是國內(nèi)距離大城市最近的一座大型地下礦山。隨著開采規(guī)模的擴大以及開采年限的增長，尾礦的處理已成為關(guān)乎礦山持續(xù)發(fā)展的生命工程。近幾年梅山鐵礦一直響應(yīng)國家低碳減排號召，在綠色礦山建設(shè)、尾礦的綜合利用方面走在了國內(nèi)同類礦山的前列。礦山為實現(xiàn)對尾礦使用量的精確管理，在測量方法上進行了探索［1-5］。

1 工程背景

尾礦使用量測量是評估尾礦綜合利用率的一項重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。梅山鐵礦共有3個尾礦庫，目前進行尾礦綜合利用的是位于南京江寧谷里街道的梁塘尾礦庫（圖1），庫區(qū)范圍約為272 725 m2，如果采用傳統(tǒng)的全站儀+棱鏡或者GPS-RTK 打點測量，工作量巨大，效率低下，而且由于尾礦利用范圍的不確定性，傳統(tǒng)測量方法無法滿足測量需求。三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測量技術(shù)，原理是通過高速激光掃描測量方法，大面積、高分辨率地獲取被測對象表面的高精度三維坐標數(shù)據(jù)以及大量空間點位信息，可以快速建立高精度、高分辨率的物體真實三維模型。本研究嘗試將三維掃描技術(shù)運用到尾礦利用量測量中，通過采用三維激光掃描儀選擇性地對尾礦利用范圍進行點云數(shù)據(jù)快速采集，后期采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解算、坐標匹配、點云抽稀、降噪，獲得尾礦利用范圍內(nèi)大量帶有三維坐標信息的點云數(shù)據(jù)，進而通過計算體積變化值得到尾礦的利用量。

2 三維激光掃描測量步驟

2.1 尾礦庫原始地貌掃描

在尾礦綜合利用之前，需要對整個庫區(qū)的地貌進行整體掃描，以掌握庫區(qū)尾礦原始點云數(shù)據(jù)，為以后的測量計算提供基礎(chǔ)條件。由于庫區(qū)范圍較大，需進行分站掃描。通過前期對三維掃描儀的學(xué)習(xí)、使用、試驗（梅山鐵礦使用的三維激光掃描儀為Geoslam型手持式掃描儀），針對尾礦庫的地形，將庫區(qū)劃分為5個測站，每站按照不大于300 m×200 m的矩形劃分，每站掃描的時間控制在20 min 以內(nèi)。為了控制掃描數(shù)據(jù)的變形和保證不同測站數(shù)據(jù)的拼接精度，在每個測站區(qū)域范圍內(nèi)均勻布置6 個控制點，相鄰測站保證有3個公共的控制點進行數(shù)據(jù)拼接，同時為了計算數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，需將掃描的點云數(shù)據(jù)坐標匹配到統(tǒng)一的坐標系。在項目實施初期，通過布設(shè)23個控制點、劃分5個測區(qū)、采用Geoslam手持式掃描儀完成了對整個庫區(qū)內(nèi)尾礦點云的掃描采集工作（圖2），共掃描點云量約13 億個，后期通過對數(shù)據(jù)抽稀、降噪等處理，保留約7 000 萬點云量，作為整個尾礦庫區(qū)的原始點云數(shù)據(jù)，為后期項目開展提供了準確的基礎(chǔ)。此工作僅耗時約2 h。

2.2 每月尾礦利用量測量

為了提高測量的效率，充分發(fā)揮三維激光掃描儀測量靈活的特點，每月（梅山鐵礦尾礦利用量測量周期為一個月）尾礦利用量測量可現(xiàn)場根據(jù)本月尾礦使用范圍劃定區(qū)域，采用三維激光掃描儀進行掃描。為了控制掃描數(shù)據(jù)的變形，根據(jù)掃描區(qū)域的大小和形狀，合理布置控制點（不少于3個）。確定每月5 日為尾礦利用量測量日期，以提高數(shù)據(jù)的可比性。外業(yè)測量包含布設(shè)控制點、點云掃描等工作，約在40 min 的時間內(nèi)完成約5 000 萬個點云量數(shù)據(jù)的采集（圖3）。相比傳統(tǒng)測量手段，大大縮短外業(yè)測量時間，提高了工作效率。

2.3 每月尾礦利用量計算

將本期的尾礦利用量掃描的點云數(shù)據(jù)采用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件（梅山鐵礦數(shù)據(jù)處理軟件為Realworks）進行數(shù)據(jù)解算、坐標匹配，得到了帶有統(tǒng)一坐標系的三維點云數(shù)據(jù)，與上期的同區(qū)域尾礦掃描數(shù)據(jù)進行疊加，取統(tǒng)一起算面（通常選最低點）分別計算起算面以上尾礦的體積，體積的變化量即為本月的尾礦使用量。

2.4 尾礦點云數(shù)據(jù)更新

為了保證尾礦利用量測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需要將本月的尾礦利用量掃描的點云數(shù)據(jù)替代上月掃描的點云數(shù)據(jù)，作為下月計算的基準值。采用了天寶Realworks 處理軟件中2D 畫圖功能（不可采用3D 畫圖，會造成區(qū)域切割的不統(tǒng)一），按照本月掃描范圍劃出范圍線，將此范圍線套合到上月的基準點云數(shù)據(jù)上，刪除范圍線內(nèi)的點云數(shù)據(jù)（圖4 左），同時需要將本月范圍線內(nèi)的掃描點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成rults 點云格式，因為采用了統(tǒng)一的坐標系，這些點云數(shù)據(jù)都有統(tǒng)一坐標系下的三維坐標，可以直接加載到上期的基準點云數(shù)據(jù)上，實現(xiàn)了尾礦利用點云數(shù)據(jù)的更新（圖4右）。

3 精度分析及檢測

影響三維激光掃描技術(shù)測量精度的主要因素就是點云的三維坐標精度，掃描變形、坐標匹配等步驟中的誤差積累，都會影響最終的結(jié)果。

項目實施過程中，必須嚴格執(zhí)行最新版的《工程測量標準》（GB 50026—2020）中關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的規(guī)范要求，同時針對出現(xiàn)的一些具體問題，比如掃描點云出現(xiàn)扭曲變形、點云出現(xiàn)“飛點”、坐標匹配誤差超限等，制定了分站掃描，控制掃描區(qū)域大小和掃描時間，布設(shè)固定控制點，提高控制點測量精度。這些措施有效地控制誤差積累，提高測量精度，確保測量數(shù)據(jù)的準確性。

為了驗證掃描點云的精度，在掃描的點云數(shù)據(jù)中，選取了10個諸如房角、旗桿、標志牌等特征點，在天寶Realworks處理軟件中采集了這些特征點云的三維坐標，然后采用了GPS-RTK 測量的方法對這10 個特征點進行三維坐標測量。按照最新版的《工程測量標準》中1∶500 地形圖測量規(guī)范，點位誤差不超過50 mm 為合格。通過數(shù)據(jù)比較（表1），平均坐標差值ΔX=20.9 mm，ΔY=20.9 mm，ΔZ=29.5 mm，均沒有超過限差要求，三維激光掃描技術(shù)在尾礦利用量測量中的精度完全滿足生產(chǎn)需求。

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4 實用性分析

通過實踐得知，高程的精度是影響尾礦利用量測量精度的最重要因素。精度檢測的數(shù)據(jù)表明，高程的誤差值（20～30 mm）明顯高于平面坐標，影響最終計算結(jié)果的誤差率約在2%～3%。以項目實施過程中2021 年6 月的計算結(jié)果為例，最終誤差在461～692 m3，對統(tǒng)計部門準確評估尾礦的綜合利用率有一定影響。在項目實施過程中，雖然嘗試了增強控制點個數(shù)、調(diào)整控制點點位等一些措施，但在提高掃描點云的高程精度方面，效果不算太明顯。在今后的工作中，提高掃描點云的高程精度，值得進一步思考與探索。

為了驗證三維激光掃描技術(shù)在尾礦利用量測量中優(yōu)勢，在尾礦庫區(qū)內(nèi)選取200 m×200 m 的區(qū)域，分別采用了Geoslam 手持式三維掃描儀、Leica-ts16 全站儀、Topcon-GR-5GPS 進行一期尾礦利用量的測量。三維激光掃描根據(jù)最新的《工程測量標準》要求并結(jié)合儀器的性能，掃描路線間距不超過100 m，掃描儀距掃描對象的最大間距不超過50 m；全站儀+棱鏡和GPS-RTK 打點測量根據(jù)1∶1 000 地形圖測量規(guī)范，按照點間距不大于10 m 的要求布置測點。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)中，三維激光掃描點云數(shù)據(jù)采用Realworks 進行數(shù)據(jù)處理，全站儀+棱鏡和GPS-RTK 采用南方Cass7.0進行數(shù)據(jù)處理。

分別從測量點數(shù)、內(nèi)外業(yè)作業(yè)時間及作業(yè)人數(shù)進行比較（表2）。三維激光掃描點云的數(shù)量比傳統(tǒng)的2種測量方法有了幾何倍數(shù)的增長，這樣確保了外業(yè)測量數(shù)據(jù)能比較真實客觀地反映庫區(qū)地貌地征，大大提高了最終計算結(jié)果的精度。工作效率方面，外業(yè)測量的時間大大縮短，減輕了外業(yè)作業(yè)人員的勞動強度，符合現(xiàn)代測量的發(fā)展方向。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間雖然提高約20 min，但其中大約有一半的時間是電腦自動解算數(shù)據(jù)的過程，不需要人為干預(yù)。

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5 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)運用在梅山鐵礦尾礦綜合利用測量中，不僅解決了傳統(tǒng)測量方法難以完成的測量難題，而且提高了測量精度和工作效率。在實際應(yīng)用中，梅山鐵礦的測量技術(shù)人員充分利用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點，創(chuàng)造性地解決了一些運用過程中的難題，為三維激光掃描技術(shù)在梅山鐵礦礦山測量中的應(yīng)用積累了許多有益的實踐經(jīng)驗。