湖北省核工业地质局 湖北孝感 432000
摘要：三维激光扫描技术具有快速、非接触、实时、动态、主动等特点，具有密度高、精度高、数字化、自动化等特点，适用于露天矿山地表测量。以露天矿的激光扫描数据为基础，建立了露天矿开采区域的三维高精度模型，为矿山设计、生产和数据动态管理提供了可靠的信息，为“数字矿山”提供全面、高精度的数据。
关键词：三维技术；激光扫描；露天矿测量
三维激光扫描技术是在传统测量技术的基础上发展起来的一种新型扫描技术，又称“活体复制技术”。随着我国露天采矿业的迅速发展，对采矿过程中遇到的各种地理要素进行测量是十分必要的。露天矿测量过程中需要考虑很多方面，尤其是地质、地形、边坡、空间条件和各种管道测量，传统的测量设备效率低，不能安全高效采集露天矿工程的测量数据，也达不到准确表达露天矿真实情况准确表达的要求。因此，应用三维激光扫描技术，将是一项新的技术突破。
一、露天矿测量的概念和主要目的
露天矿测量是指在露天矿山设计和开采阶段，为了指导和监督而进行的一系列测量工作。露天矿测量的主要内容是：建立矿区基本测量控制网，进行矿区工程测量，如地形测量、采场测量、线路测量，边坡稳定性监测、矿区矿体体积计算等，之后可计算矿区储量、绘制测量图、编制年度报告等。利用矿山测量、矿山地质目录、矿山抽样检验等技术手段，通过对矿山地质资料的整理，对本年度采矿量、损失和资源储量的增减进行估算，编制年度矿山储量报告，并对本年度储量进行年度结算。
二、传统露天矿测量技术的缺陷
2.1 测量精度差
传统矿山测量技术的准确性主要取决于采集点的位置和数量。对于露天矿来说，由于工作面不规则，且地表在开采过程中不断变化，露天矿的开采地表是复杂无规律的，其中许多地方人无法走到。测量中无法保证应该采集的点能够测到，对开采工作面的测点数量也不够，由此测量的结果不能满足矿山测量准确性的要求。矿体计算通常采用断面法、方形法或三角形法，因为点之间的距离较大、点位不合理、点数不足，无论采用何种方法计算矿体，结果都与实际矿山情况存在一定的误差。
2.2测量速度慢
传统的露天矿测量技术速度慢，理想情况下，作业小组在一个工作日内只能测量一个开采工作面，再加上必要的准备工作和内部数据计算，完成矿山里所有的测量需要大量时间。然而，矿山地表因开采是在不停迅速变化的，矿山储量的计算对时间节点的要求严，传统测量作业时间太长，一次测量测出的结果已经跟现状大不一样。因此，传统的露天矿需要大量的人力和物力资源来动态测量矿山储量。
2.3测量安全性差
露天矿因大型机械作业和爆破开采会导致地表破碎、悬崖陡坎多、地表高程落差大，人在矿山地表工作有滑倒、落石、滚石和跌落的风险。传统的矿山测量技术要测量人员近距离架设仪器测点或者矿内实地GPS走测，人员安全和设备安全难以得到全面有效的保障。
三、三维激光扫描技术的原理及特点
3.1 三维激光扫描是一种先进的自动化高精度测量技术。该技术采用非接触式主动测量方法，并配有远距离测量装置，可快速获得物体表面采样点的三维空间坐标。它不仅具有较高的测量精度，而且可以提供多方位坐标。三维激光扫描仪一般由扫描仪、控制系统和电源系统组成。激光脉冲在接触到物体后会反射回扫描仪。同时对激光点接触到的物体表面信息进行自动存储和计算，最终得到点云数据。
3.2三维激光扫描技术的特点
3.2.1提高测量精度和效率
由于工作场地、天气、卫星信号等客观因素的制约，传统测量技术的测量精度受到很大影响，难以满足不断发展的社会生产的需要，即使精度勉强满足精度要求，也需要多做大量的工作。
因此，三维激光扫描技术受外部地形影响较小，通过激光反射原理，可远距离采集数据，无需实地测坐标，可以保证测量人员的人身安全。激光扫描设备还可以结合矿体的特点，设置扫描间隔参数，保证在短时间内获得详细、高精度的三维坐标数据，完全能够满足矿山测量的精度要求。
3.2.2获取的数据客观真实
由于三维激光扫描采集的数据量很大，不受地形的限制，也不受矿体复杂程度的限制，因此野外采集的数据非常可靠。通过建立严格的三角网，建立数字地面模型，结合设计的准确范围，确保计算结果与实际现状的一致性，便于计算各种储量。由于传统的矿山测量是单点测量，测量数据可以人为修改，而光学扫描数据是密集的点云数据，因此三维激光扫描数据很难修改，避免了数据被篡改，保证了矿山测量数据的客观性和真实性。
3.2.3可搭载其他测量设备配合使用
三维激光扫描技术可与外置数码相机和GPS系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的应用范围，使得信息的获取更加方便、全面、准确。使用外置数码相机，增强了彩色信息的采集，使扫描能够获得更全面的目标信息。随着GPS定位系统的应用，三维激光扫描技术越来越普及，应用范围越来越广泛，与工程的结合也越来越紧密，进一步提高测量数据的准确性。
四、三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用
1、地形测绘
传统的地形测绘方法主要有平板法、全站仪法、经纬仪水准测量法等，这些方法的主要特点是在数据采集方面都是点对点采集，运行效率低，需要大量的人力、物力和财力等资源。三维激光扫描技术是数据采集中的一种点对多采集方法，数据采集速度可高达百万点每秒，大大提高了数据采集速度。同时，对于一些危险复杂的地方，三维激光扫描仪也可以获得大量的数据，不仅可以保证操作人员的安全，而且可以保证数据的完整性，最真实地反映地形地貌。
2、边坡变形监测
通过三维激光扫描技术，可以获得大量高精度的斜坡三维点云数据。通过计算分析和周期性测量，可以较好地反映边坡体的变形趋势。具体思路是定期或不定期地扫描和监测斜坡，分析和处理相邻两期点云数据，并进行数据叠加。同时，利用三维点云数据处理软件对数据进行分析，从点云数据的变化可以得到边坡位移变形的趋势。
3、开采沉陷监测
矿山地表沉陷监测的主要过程是利用地面三维激光扫描仪对测区进行一次扫描，然后通过专业软件对数据进行处理，拟合出地表数字高程模型。经过一个监测周期后，利用地面三维激光扫描仪对该区域进行二次扫描，并根据获得的数据重新建立 DEM。通过数字高程模型的叠加和减法，可以得到监测区域的地表沉降数据，便于及时发现危险区域，保证生产安全。
4、土石方计算
利用地面三维激光扫描仪扫描堆土场，得到堆土场表面的三维数据，并对其建模进行分析。利用专业软件，选择一个起始平面，然后选择一个最终平面，自动计算两平面之间模型的体积，得到堆土场的体积。体积计算的基本原理是用填充法在模型中填充无数个长方体，逐渐逼近模型轮廓。可以设置长方体的几何元素，有助于确定模型的精度。
结语：综上所述，采用全数字三维激光扫描技术进行露天矿山测量，明显优于传统的矿山测量技术，其可靠、快速、方便、安全的特点，让三维激光扫描技术成为露天矿山测量中最有效、最快捷、最经济也是最有效的方法，未来三维激光扫描技术在露天矿山测量中将得到广泛的应用。
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