长测距三维激光扫描仪在露天矿山测量中的应用

2021-03-04刘天奇

能源与环境 2021年1期

关键词：露天矿扫描仪测距

刘天奇

（中化地质矿山总局福建地质勘查院福建福州 350013）

0 引言

随着智能矿山理念的发展，借助现代化科学设备例如三维激光扫描仪，开展露天矿山测量成为当前行业主流的应用方式。智能化矿山测量设备的应用，一方面极大提升了传统矿山测量工作的效率和质量，另一方面为露天矿山其他工程的应用提供重要的参考。

1 长测距三维激光扫描仪的测量原理

1.1 长测距三维激光扫描仪的组成以及坐标反算理论

三维激光扫描仪，主要由激光测距系统、影像扫描系统、数据控制系统以及内部摄像系统等相关核心构件组成。其测量工作的核心功能为距离测量，借助不同点位与目标之间的距离进行反算得出三维坐标，实现距离的有效计算。三维激光扫描仪，通常是按照既定的旋转轨迹以及间隔发射的扫描激光，以某种特定角度进行扫描。以α 与β 代表水平角度与垂直角度，借助测量激光从发射、反射、接收等相关过程的总体时间t，来确定目标物与扫描仪的具体距离，如式（1）～（3）所示，结合图1 进行计算。

图1 三维激光扫描仪坐标计算图

1.2 长测距三维激光扫描仪的基本测距原理

通过对三维激光扫描仪设备的系统化分析，其设备的测距原理，主要分为脉冲式、相位式以及三角式等3 种形式，其中脉冲式测距原理是最为常见的应用模式。主要依据测量脉冲信号的往返时间t 与脉冲信号在空气中的传播速度v 进行计算分析。通常计算公式参考式（4）：

在测试过程中，为了提升脉冲信号数据计算的准确性，尤其是往返时间的准确性，工作人员需要借助三维激光扫描仪的内部额外增加一个脉冲计算器进行辅助运算，特别是脉冲信号处于发射阶段时，极有可能会让设备触发计数功能。当信号返回时，会立即触发停止功能，特别是脉冲计数器数量为N时，脉冲频率为F 设定，可以计算出脉冲时间t，计算公式为：

1.3 长测距三维激光扫描仪仪器参数

长测距三维激光扫描仪仪器参数数据可以参考表1。

表1 长距离三维激光扫描仪仪器参数列表

2 露天矿山测量实践应用

2.1 工程概况

以某矿山工程为案例，相关内容的测量工作，选用三维激光扫描仪开展测量验收工作。矿山属于露天铜矿，采矿面积约为1.66 km2，矿山西面、背面存在林赛湖，东面靠山，在采矿区的南部、北部的植被相对茂盛，东部以及西部较为稀疏，具体测区的落差最大值为240 m。根据相关情况，采用三维激光扫描仪进行采剥工程测量验收，结合相关数据对测量的有效性与准确性进行实践分析。

根据三维激光扫描仪对矿山现场测量工作的实际操作流程进行分析，首先开展矿山测量数据采集工作。利用三维激光扫描仪的测量功能，在矿区四周视觉良好区域设定5 个不同控制点，利用矿山的CORS 基站，对5 个控制点进行测量，其测量误差控制在2 cm 以内，同时确定相关点位的坐标。

2.2 数据采集

结合三维激光扫描仪的测量流程，对矿山目标进行2 期数据扫描，其中间隔时间以9 天最佳。为了保证信息采集数据的准确性，需要结合不同时期进行数据采集，实现对相关内容的校核，根据测站点坐标以及后视点坐标的位置信息，采集5站的数据。一期对测量的数据进行有效采集，二期需要在一期数据的基础上完善3 站的基础数据采集工作。

2.3 数据处理

现代矿山测量工作的数据处理已经完全交付相关电子软件进行处理，本案例中采用Maptep 公司出品的数据处理软件——点云处理软件PointStudio，为主要的数据分析软件，结合数据匹配策略、噪点过滤功能、建模功能、放量计算、结算校核等相关内容。

数据匹配是将不同站点数据进行坐标匹配，由相对坐标转化为绝对坐标，借助三维激光扫描仪的测量模型，以内部罗盘定位以及外部控制网控制点约束设备的测量模式。其中外部控制网控制点测量模式较为精准，定位准确，不需要大量的数据匹配，就可以完成相应的数据测量。

激光扫描仪借助噪点过滤技术，可以将其他无关内容进行有效过滤，同时还能够降低测量数据的影响效果，进而实现测量数据的有效性。不同的过滤技术所产生的差异性同样较大，特别是对应的科学算法也存在巨大的差异性。结合现代智能化过滤模式，对具有一定特征的过滤群体可以实现智能化过滤模式，相关矿山测量工作技术人员，需要对过滤后的影像数据与过滤前的影像数据进行对比和分析，从而进一步确定过滤内容的有效性。

三维激光扫描仪数据对比，是对当前测量模型的具体状态进行分析，以三维立体模型为主要对比内容，利用计算机将地表数据以模型的形式呈现，同时对模型进行削峰处理、填洞、三角网编辑等操作，利用凹型地表进行球面建模，结合特殊地点位置进行复杂数据的提取和分析，最终形成地表模型。在方量技术以及结构表达过程中，对2 期的数据进行科学统计处理，尤其是借助PointStudio 点云处理软件中的基准模式、计算模型、边界参数等相关内容，计算出二者的挖填方量［1］。

2.4 数据对比

通过对应的计算形式结合三维激光扫描仪测量数据进行对比分析。以某点位的测算数据对比，其中二者的测量数据见表2 所示。根据测算数据，三维激光扫描仪的测算误差较低，且不足3%，在允许误差4%范围内［2］。

3 优点及注意事项

3.1 与传统的测量系统对比的优势

（1）现场测量时间短，利用三维激光扫描仪，开展长距离激光测量工作，可以在方圆1 km 的露天矿区完成测量任务。其中采集站点在5 站范围可以轻松应对，需要注意的是，每站的测量时间约为20 min，并且要保证所有的测量时间控制在2 h内完成，另外再包括车程以及准备时间，初步计算仅仅需要数个小时就能够实现测量工作的有效完成。而传统的测量方式，需要对目标测量范围内的所有数据进行采集。以1＋2 的模式RTK 为例，大多需要5 个工作日才能完成测量工作，因此三维激光扫描仪极大提升测量效率，减轻外业测量人员的工作压力。

表2 三维激光扫描仪与传统测量方式测算数据对比

（2）由于利用激光扫描仪进行测量时，对应的数据密度较高，同时相关数据极为庞杂。相关人员在开展测量工作时，需要结合不同的地形条件以及相关位置信息进行精准测量。由此可见，激光扫描进行测量时，其性能极为可靠。而传统的测量方式，大多根据特征点进行测量，以10 m 为1 个测量密度，点位代表性极为有限，进而彰显出测量工作存在一定的局限性。

（3）激光扫描仪进行测量时，其自动化程度极高，不仅可以结合天气、湿度、温度、大气压等多项数据进行综合分析，同时还能满足不同的定制化测量需求，并且无需人工的操作和设定。在露天矿山工程中，还能够对需要重点测量的区域进行个性化密集测量。一方面，可以保证测量数据的有效性，另一方面，可以实现测量项目不会出现漏测的问题产生。自动化程度高，不仅有效降低了问题的产生，还大比例地提升了测量的精准性。

（4）新型三维激光扫描仪，无论是像素还是功能，都可以实现高精准的实景测量，从而在根本上实现对测量工作的有效保障，另外借助高像素的测量功能，可以规避人工测量的失误性和差异性，从而保证测量工程可以切实有效地展开。另外，借助原景还原模式，实现对测量数据的精准还原。

（5）三维立体建模。传统的测量方式是以二维数据进行测量工作，而三维激光扫描仪的应用，可以在三维图像中完成对露天矿山的测绘工作，不仅立体感极为强烈，还能够带来强烈的直观体验。

（6）减少人力资源。传统的测量方式需要大量的人力、物力，而三维激光扫描仪测量方式，不仅降低人工成本，还能够在技术上，实现更为精准的测绘工作，尤其是一个人的测量工作就可以完成测绘工作，从而大大降低人工成本。