三维激光扫描技术在露天矿测量与变形监测中的应用

三维激光扫描技术在矿山测量与变形监测中的应用修涛3DlaserscanningtechniqueatmineralmountaindiagraphwithtransformtomonitoramediumapplicationNIEXiJun1，XIUTao2Abstract:Thistextanalyzedtomakeuseofanormalregulationsdiagraphtechniquetomeasuretheweaknessofstripmine,andaccordingtominingthecustomermeasuresintheoutsideindustryandinsidetheindustrymanageamediumtechniqueneedandinquiredintoa3Dlaserscanningtechniquemeasuringandtransformingtheappliedpossibilityinthemonitorinthestripmine.Keyword:Themineralmountainmeasures,transformsmonitorand3Dlaserscanner摘要：本文分析了利用常规测量技术测量露天矿的缺点，并根据开采用户在外业测量及内业管理中的技术需求，探讨了三维激光扫描技术在露天矿测量与变形监测中应用的可行性。关键字：矿山测量、变形监测、三维激光扫描仪1引言三维激光扫描技术是一种新的测量技术，是基于高密度点云数据进行体积计算的一种技术，它有效地解决了复杂的矿山开采区的测量精度问题，同时提供了可套合的全景影像数据，从而达到图像、数据和实际开采现状的高度一致，它能够在比较复杂和危险的现场和空间对被测物体进行多方位快速扫描测量，并直接获得激光点所接触的物体表面点的三维坐标、反射强度等信息，形成点云数据。三维激光扫描技术为我们提供了矿山储量测量监测的重要技术手段，与常规矿山测量方法相比，具有外业采集数据点密集、精度高、速度快、成本低、安全系数高、管理方便的特点。2常规露天矿验收测量手段的不足2.1露天矿验收测量方法（1）利用矿区已建好的基础控制网，采用全站仪与GPS-RTK相结合的方法，进行露天矿验收测量。（2）对开采区域按《规范》要求进行露天矿采剥工程量计算。（3）计算开采区域的矿体体积。（4）测量成果的质量检验。（5）图形编辑与修饰，并进行储量计算。（6）提交图件和报表。2.2常规测量方法中存在的问题矿山在开采过程中形成了凸凹不平的工作面，常规露天矿测量是在采区的范围内，选取一定的地形特征点，一定间隔距离进行数据采集，然后根据这些点来进行露天矿体积计算，因此，其测量成果的准确性主要取决于：采集数据点的点位密度、立尺点的位置、水区点位的准确度、火煤区点位的获取、测量死角区域点位密度等。常规的露天矿验收测量方法存在以下不足：（1）理想的立尺点很难打到位。对于平坦的露天矿开采面来说，立尺点很容易被采集到，特征点的数量方面也没有问题，但对于露天矿水区、滑坡区域来说，作业人员几乎无法到达，因此，要想获取特征点的位置和密度就很难完成。矿体计算一般采用剖面法、方格网法等来进行的，由于采点的间距相对较大，无论采用哪种方法来进行矿体的计算，与其实际的开采量相比都有一定的误差。（2）常规测量只有数据，没有与数据相匹配的矿山立体图像，大家只能从数据上进行判断，而无法真正了解矿山的实际开采状况，从图纸上也很难直观地看到煤岩的分界。（3）露天矿提供的采区范围边界不够详细或不明确，在露天矿验收测量过程中容易出现多测或露测的现象，增加了劳动强度、降低了工作效率。3三维激光扫描的优点（1）可以全天候作业。（2）无需太阳光，或光线的特别角度。（3）直接出来的是数字产品，可以直接出来X、Y、Z的坐标。（4）可变的数据密度：根据距离，点间距可设定1mm或1000mm。（5）距离长：3000米的距离，在距离之内不存在不可测量的目标。（6）快速数据获取：每秒可获取数十万点数据。4三维激光扫描技术在露天矿变形监测应用中的可行性传统对露天矿的变形监测都是在露天矿的特征部位埋设变形监测点，在变形影响范围之外埋设测量基准点，定期观测监测标志相对于基准点的变形量。传统基准点的测量方式，包括GPS测量，特征点的选取直接关系到监测方案是否有效、可靠。特征点的选取存在很大的人为性，如果特征点选取不当，监测点并不能最大程度地反映变形体的最大变形，甚至可能存在变形方案失效。同时，监测点的布设数量多少是传统测量方法中存在的一个难题。一方面，我们想尽可能多的布设监测点，另一方面，我们又不得不考虑到成本的问题。三维激光扫描就可以解决传统基于点的测量方式中存在的诸多问题。一方面，三维激光扫描技术对变形体进行全方位的扫描，可以不用人为寻找变形体的特征部位，同时扫描的云数据可以最大的满足我们对监测点数量的需求。5三维激光扫描技术的原理及特点5.1三维激光扫描仪测量原理三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标，最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标，如图1所示。图1三维激光扫描仪的测量基本原理ZYXP(XP,YP,ZP)αβ图2扫描点坐标计算原理5.2三维激光扫描技术的特点（1）非接触测量。三维激光扫描技术直接采集物体表面的三维数据、所采集的数据完全真实可靠，可以用于解决危险区域及人员难以到达的区域，涉及不到人为参与。（2）数据采样率高。采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数千点/秒，而采用相位激光法测量甚至可以达到数十万点/秒。（3）高分辨率、高精度。三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集。（4）数字化采集，兼容性好。三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出，能够与其它常用软件进行数据交换与共享。6三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用6.1工作程序（1）建立矿区测绘基础控制网。（2）对采区进行实地扫描，获取点云数据。（3）数据处理。（4）建立三维模型，匹配影像数据。（5）计算采区采剥工程量。6.2需提交的主要成果（1）露天矿扫描影像和点云数据。（2）露天矿的三维模型成果。（3）测量成果质量评述。（4）露天矿地形地质图。6.3常规测量与三维激光扫描测量的成果比较7结束语综上所述，应用三维激光扫描技术对露天矿验收测量及变形监测，明显优于常规的矿山测量技术，为我们提供了可靠、快捷、方便、安全的技术解决方案，也完善了常规测量方法中的一些缺陷，三维激光扫描技术必将在露天矿测量中得到广泛应用。参考文献[1]范海英，杨伦等.三维激光扫描系统的工程应用研究[J].矿山测量：2004(3):16-18.[2]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2005.[3]李志林，朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社，2001[4]张远智，胡广洋.基于工程应用的三维激光扫描系统[J].测绘通报，2002（1）：34-36[5]马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用[J]地理空间信息，2005，3（3）：60-62[6]刘春，杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模[J].工程勘测，2006（4）：49-53[7]郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005