田程辉
赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司内蒙古赤峰024000
摘要：近年来，随着矿山开采程度的逐渐加深，矿山伤亡事故率频发，虽然国家的安全督导与矿山企业的安全意识不断提升，但仍然面临开采边坡不稳定的问题。因此，矿山开采边坡变形监测研究对提升矿山安全生产等具有重要意义。矿山开采边坡形变对边坡土石方量、坡度、高程等影响较大，将土石方量、坡度、高程作为判断边坡形变的因子，进而分析边坡的稳定性，其应用效果良好，对矿山开采边坡灾害预警及治理具有重要意义。通过两种方法验证了三维激光扫描技术在土石方量计算中的误差，误差率为 2． 3% ，能够满足矿山边坡形变监测误差要求。
关键词：三维激光扫描技术；矿山；开采；边坡形变；监测；应用
中图分类号： TU433 文献标识码：A
1三维激光扫描技术工作原理
三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪为基础发展起来的一项现代化测绘技术，三维激光扫描仪是测绘工作中最终要的仪器设备，一般由激光扫描系统、激光测距系统、仪器内部控制盒校正系统、集成 CCD 系统等组成。激光测距系统一般包括激光三角法、相位干涉法和激光脉冲测距法 3 种类型，本次矿山开采边坡使用激光脉冲测距法。激光脉冲测距法的工作原理为: 通过仪器设备中的激光二极管发射周期性的激光脉冲信号，对测绘区域进行快速扫描，当激光脉冲信号接触到物体表面时就会生成反射信号，当被仪器中的接收透镜接收后就可利用信号发射与返回的时间、路径等计算目标物的空间三维坐标，若将扫描仪的测距记为 S，将扫描仪镜头在垂直方向上的观测角度记为θ，水平方向上的观测角度记为 φ，将被测点的记为P，则被测目标 P 的三维空间坐标信息为 P( x，y，z) 。
2三维激光扫描技术在矿山开采边坡形变监测中的应用
2.1 通过扫描监测滑坡体确定监测物
地面三维激光扫描测量每次扫描会得到一个面上不同点的数据，这些“密密麻麻”的点构成了扫描物体的表面。点越多，与实际物体表面的重合性越好。云数据处理不是以单点为处理单位，而是以“点群”为单位进行处理。学者们为此也提出了各种不同的算法。刘文龙在基于三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究中，通过在待扫描的滑坡区域内布设扫描控制点，由 GPS 和全站仪先测量这些点的坐标，再通过这些点的坐标把点云数据转换成大地坐标。但地面三维激光扫描测量采用的是无固定目标的测量方式，就是说每次扫描的测量点都不会重合，点云数据中可能不含GPS测量出的控制点数据。徐进军在基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理中，提出了从“变形监测块”上提取点云数据的算法，但需要该监测块是球类或者圆形面，或者至少有一个平面，如果不是人工设置监测块，很难达到这一要求。为了将扫描点云全部用于为了计算变形，需要从每期的点云数据中确定同名点并计算其坐标。这里提出提取监测物上重心的思路。获取监测物，必须首先根据点云数据提供的形状、大小、颜色、纹理、色调等标志中分辨出各个体积较大的物块，选取这些物块有两种形式：（1）在大部分滑坡体上，会裸露出很多岩石块，这些岩石块的几何特征和物理特征明显，通过点云数据，可以将这些岩石块识别成一个个的独立个体。（2）如果滑坡体上裸露的基本是土质，没有适合作监测用的天然地物，则可以在滑坡体合适的部位人工布设简单的、便于识别的物体。
2.2基于不规则地物特征提取的边坡变形分析
基于不规则地物特征，提取边坡变形数据并进行分析，这是三维激光扫描技术的技术功能优势，它与传统监测方法在数据获取方式方面表现不同，难以利用点云数据分析监测区域的水平位移情况。基于这一关键难点，需要考虑在监测目标表面布设一定数量的固定点，并在扫描目标物体表面精确固定点求取实际水平位移量，不过这一方法不但工作量巨大、工作成本高且无法体现三维激光扫描技术的固有优势。目前基于ＩＣＰ精确配算法对不规则地物特征进行提取，进而实现对边坡变形问题的有效监测与分析，可有效降低边坡监测过程中可能存在各种人为干扰因素影响。在计算过程中，需要对不规则地物重心求取变化值的平均值，该方法快速且简单，适用于点分布均匀的地物特征图形。在此过程中利用三维激光扫描仪可获取大量的点云数据，发现其分布是否均匀，然后分析坡体在垂直方向向上的整体变化趋势，并对坡体顶部向下滑移的实际变化与监测点高程变化进行分析。总体来说，可基于不规则地物特征提取的边坡变形展开分析，看坡度与坡向分析结果是否保持一致，说明三维激光扫描技术在矿山边坡坡体测量上可合理布设监测点，并实现对边坡整体变化趋势的灵活分析，也能对边坡变形信息进行随时提取。
2.3边坡坡度的计算
矿山开采边坡一般以临空顺层边坡为主，坡度对边坡稳定性影响较大。一般来说，坡度越陡，临空顺层边坡的稳定性越差，也就更容易发生边坡滑坡、垮塌等现象。三维激光扫描技术可以通过数据处理等流程获得开采边坡的坡度，进而为分析边坡稳定性提供详细的数据支撑。边坡坡度计算的原理包括: 以点云数据的坐标系统建立相应的参考平面，将某一点三维坐标中的 y 值对应至统一参考平面上，其垂直距离就是边坡的高度 H，坡度长 L 可以表述为不同两个点之间的距离与 H 和参考平面交点之间距离的平方差，则坡度为 arctan( H/L) 。
2.4坐标的计算
我们视前面所选取的监测物为均匀物质，根据落在监测物上的点云数据计算出它重心的三维坐标，得到我们需要的“同名点”。不同于 GPS、全站仪是直接测量得到监测点三维数据，三维激光扫描测量得出的同名点三维坐标数据是计算出来的。虽然如此计算出的点位精度较低，但这样的监测物的数量却多于GPS和全站仪测量所需要的控制点。即使需要人工布设监测物，也只需布设便于识别的物体，速度较快。
2.5边坡形变监测分析
矿山开采边坡形变监测是提高矿山安全生产的基础，也是提高预警效率的前提。矿山边坡形变监测是通过一定时间周期的三维激光扫描点云数据。通过不同时间段获得额点云数据的土石方量变化量、坡度变化量以及高程变化等确定的。一般来说，土石方量、坡度、高程等变化量越大，开采边坡越容易出现滑坡、垮塌等灾害。
结束语
综上所述，三维激光扫描技术在复杂的矿山边坡环境中具有明显的优势，与传统的测量技术相比，三维激光扫描技术具有自动化程度高、测量速度快和精度高的优势; 与 InSAＲ 技术、遥感技术等相比，三维激光扫描技术具有受环境影响小的优势。随着科学技术的快速发展，测绘技术向自动化、数字化、快速化发展成为发展趋势，以计算机为基础平台，实现测量数据多样化、社会化发展是今后主要的方向。但是，三维激光扫描技术也存在较大的弊端，如点云数据中噪声去除等，对测量精度的影响较大。
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