张志宽
陕西神延煤炭有限责任公司
摘要：露天矿测量(opencast survey)是在露天矿的设计和开采阶段，为指导和监督露天矿的剥离、开采等而进行的一系列测量工作。主要涉及到:地形测量、采剥工程验收测量、边坡测量、排土场测量、管线测量以及各类零星测量等。繁杂的测量工作、劳动强度大、环境因素复杂、不安全因素繁多，测量员面临极大考验，然而随着科学技术不断的发展，三维激光扫描技术的日趋成熟，常规RTK测量已经不能满足当前露天矿测量的效率和精度要求。本文主要阐述相比常规的RTK测量手段，三维激光扫描仪在露天矿测量中的应用，并通过数据进行对比。
关键词：三维激光扫描；露天矿；RTK测量
一、露天矿测量的主要任务和目的
露天矿测量的主要任务是测定测量对象的空间位置，并根据实际测量数据和绘制的图纸来解决生产中所遇到的问题。目的是通过矿山实测数据及地质资料整理，估算本年度矿山的有效开采量、平均损失量以及资源储量变化量，编制矿山储量年度报告。
二、实时动态测量(RTK) 原理及特点
RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时、实地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。
三、露天矿实时动态测量(RTK)方法优点及缺点
（一）露天矿实时动态测量(RTK)方法优点
1、操作简单、机动性强
西湾露天矿作为神延煤炭公司旗下子公司年产量高达1000多万吨，测量业务繁杂，随时接收零星测量任务。常规测量时，只需新建工程文件，连接CORS站显示固定解状态，平面及高程误差满足《规程》要求即可测量，真正达到了一人一杆。
2、定位精度高、数据可视化
只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，RTK对中杆保持直立下的平面精度和高程精度都能达到厘米级，且不存在误差积累，而且数据可以随时调用查看。
3、作业自动化、集成化程度高
验收测量作业时，流动站配备高效手持操作手簿，内置专业软件测量时编辑测点属性，内业数据处理采用3D Mine软件，自动连线减少人为误差，保证了作业精度。
（二）露天矿实时动态测量(RTK)方法缺点
1、受卫星状况及网络信号限制
测量坡底线受坡面影响，卫星几何图形结构强度低，尤其对空遮挡比较严重的地方，网络信号较弱，RTK测量很难得到固定解，GPS无法正常应用。
2、测量精度受外界影响
RTK测量采场时选取地形特征点，碎布点间距一般在15m为宜来进行数据采集，之后根据采集数据进行方量计算。因此测量结果的准确性主要取决于采点的数量、位置及对中杆是否直立。对于相对平整的平盘来说采点的数量和位置有一定的保障，测量结果也相对准确。对于曲折复杂、起伏不规则的平盘来说，由于测量人员无法到达理想的特征点位置，采点的数量和位置无法得到满足，导致采点间距过大，测量结果的精确度便会降低。况且验收过程中，测量人员根本无法保障每一个碎布点的采集都会将对中杆直立，在精度上也会产生误差。
3、测量速度慢
常规的地形测量受人员、仪器设备、外界条件的影响很大，作为年产千万吨大型露天矿，每月测量采剥作业面积多达195万m2，一个标准5人测量小组，从土方标段到岩石标段最后到煤标段，每月外业验收测量需要6天左右，而且长时间的负荷性劳动对测量员的体力也是极大的考验。
4、安全隐患多
由于露天矿开采工艺的特殊性，验收测量需要在坡顶、坡底进行采点，给测量人员带来巨大的安全隐患，常有山体滑坡、落石、坠岩等情况发生。
5、直观性差
传统的测量方式只能提供测量数据，并没有直观的矿山影像，管理者只能根据数据进行矿山储量的判断，无法直观地了解矿区的开采状况。
四、三维激光扫描仪技术的原理及特点
（一）三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，该技术采用非接触主动测量方式，拥有快速获取物体表面采样点三维空间坐标的测量装置，不仅测量精度高而且还能提供全影像图片。三维激光扫描仪器一般由扫描仪、控制系统和供电系统三部分组成。通过扫描仪向外发射激光脉冲，在接触到物体后，激光脉冲被反射回扫描仪，同时激光点所接触物体表面的信息进行处理并自动存储和计算，最终获得点云数据。
（二）三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描测量系统利用激光测距原理，快速获取大面积的三维数据，最大程度反应地表真实状况，可快速生成DEM、DSM、和DOM。以西湾露天矿此次引进的VZ-2000i三维激光扫描仪为例，可在多种模式下完成露天矿各类地形测量，极大提高了月度工程量验收测量的工作效率，降低测量人员劳动强度。该技术归纳起来具有以下一些特点：
1、扫描距离远
VZ-2000i三维激光扫描仪 ，采用实时波形处理、多波束收发处理技术，能见度低、恶劣环境下能进行快速、高精度、长距离的测量，最远测距高达2500m，通过对西湾矿区的采掘场及排土场进行全方位测量，得到的海量高精度点云数据完整还原采坑现状。
2、测量精度高
三维激光扫描仪外业测量分静态架站扫描和车载连续扫描两种扫描模式。静态架站扫描模式是将三维激光扫描仪架设在固定点扫描，而车载连续扫描模式是将三维激光扫描仪安装在汽车顶部进行移动式连续性扫描，利用其搭载的惯导系统与地面静态测量设备，在汽车行进过程使用电脑实时控制三维激光扫描仪工作，实现自动化精确测量，达到高密度、高精度点云数据，理论精度达5mm,完全可以满足西湾露天煤矿测量需要。
3、测量效率高
VZ-2000i三维激光扫描仪数据测量速度达到500000点/秒，以仰角100°和360°全方位扫描，理论精度达到5mm，能够扫描到测量人员无法到达的区域。静态架站模式下，仅需10架次就可对整个采掘场全部测量覆盖；在车载模式下，利用3-4小时即可完成全采坑地形扫描测量，工作效率远高于传统的人工测量。
4、测量工作可视化
VZ-2000i三维激光扫描仪利用配置的高像素相机，收集数据的同时拍摄周围环境，扫描仪、软件和相机的结合，对采集的点云数据填色，生成具有色彩的3D数据，与传统的单色彩数据相比，更加真实还原测区环境，可用于矿区场景虚拟重建。
5、扫描测量零接触
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，不在需要测量人员去各平盘测量采点，对于比较危险、测量人员不容易接近的区域，利用三维激光扫描仪变可轻松完成。
6、无需瞄准
三维激光扫描仪可以全方位测量，摆脱了全站仪、经纬仪等仪器所必须的瞄准器、物镜和目镜，使得测量人员不必在忍耐大量观测造成的眩晕，自动化测量提高了外业作业效率。
7、无需草图连线
由于激光测量速度很快，所以对于外业测量数据较全，也无需绘制草图，只需在内业进行综合取舍，完成制图任务。
8、测量成果用途广
此次引进的三维激光扫描仪可广泛应用于地形测量、地物调查、自然灾害调查、隧道测量、城市建模等领域。目前西湾露天煤矿使用三维激光扫描仪主要用于土岩煤方量验收和各类地形图测量。今后在整个矿区三维建模，露天矿电子地图、地理信息系统建设将有广泛用途，为下一阶段实现无人驾驶创造条件，为智慧矿山建设奠定坚实基础。
五、三维激光扫描测量与常规RTK测量对比
为证实三维激光扫描仪能够应用到露天矿实地测量工作当中，对西湾露天矿土方一标段（地表-1160），采用两种测量方式进行比较，考虑到数据对比真实有效，采用两个测量小组两种测量方式同步进行，要求测量过程中现场停止施工，车辆全部撤离。具体数据如表1：
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通过以上几方面对比可以看出：三维激光扫描技术不仅可以获得严密、客观、真实的数据，而且还在测量工作效率上得到了提高。
六、结束语
综上所述，三维激光扫描仪在露天矿测量中应用，明显优势于传统RTK测量技术，也是目前露天矿测量中最有效、最快捷、最经济、最安全的技术手段，必将在露天矿测量中得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 李天文等 GPS原理及应用（第三版）
[2] 雷朝锋 基于三维激光扫描仪技术在豫北露天矿测量中的应用研究. 测绘与空间地理信息, 1672-5867（2014）08-0096-03.