范玲玲

（安徽理工大学 理学院， 安徽 淮南232001）

激光扫描技术在数字化矿山中的应用探讨

范玲玲

（安徽理工大学 理学院， 安徽 淮南232001）

在现代社会中，激光扫描是一门新兴的技术，它的主要功能是进行测绘和测量，三维激光扫描技术的产生使得激光扫描技术的发展出现了重大突破.三维激光的扫描技术能够把现实中的各种场景复制成三维的场景，而且还能在很短的时间里高效、精确地展现建筑物三维空间的具体情况和位置，其应用范围非常广泛.本文介绍了三维激光技术的特点，并着重探讨了三维激光扫描技术在数字化矿山中应用的技术依据和发展前景.

激光；三维扫描；数字化矿山

1 前言

近些年来，随着现代信息科学的快速发展，人们不断地提出了一些新概念，比如数字化矿山、数字化城市、数字化地球等.数字化矿山是指数字化的再现与发展矿山周围表面和地下的一些重要信息，数字化的存储和加工矿山中大量的空间信息和数据.因此可以说，数字化矿山能够出现和发展的基础就是这些矿山的空间三维信息.GPS、全站仪等传统的测量设备只能采集一些简单的三维数据和信息，以前人们仅利用这些简单的数据和信息去了解矿山的情况，从而使许多真实有用的信息被遗漏.数字化矿山在不断地发展，需求也在不断扩大，那些获取矿山三维信息和数据的传统方法会阻碍数字化矿山的发展.而三维激光扫描技术作为一种全新的技术，能够使矿山的实际情况在我们的电脑上精准呈现，然后再把这些数据转化为能被我们识别的数字化信息.三维激光扫描技术的出现，促进了数字化矿山的快速发展[1].

2 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术利用激光可以测定距离的原理，其在扫描实物时具有完整、精度高等特点，能够高效、快速地获取大量的空间三维数据和信息.点云数据就是指三维激光扫描技术在三维空间里获取的信息和数据，其中包含着非常丰富的信息和数据量，点云数据中所有的三维数据都能够被直接地采集.三维激光扫描技术不需要做任何实物的处理，所以，矿山中那些后期需要处理的数据和信息都具有可靠性和真实性.

三维激光扫描技术现在已经被广泛地应用于土木工程建设，文物古迹保护和规划，室内设计，工厂改造，建筑监测，船舶设计，交通事故的处理等方面.三维激光扫描技术能够供大量的、精准的三维数据和信息，这些促进了数字化矿山的不断发展.三维激光的扫描系统把控制电路板、激光发射器、数码相机、滤光镜融为一体成为一种新系统，在很短的时间里，它就可以获取到大量的空间信息和数据.在三维激光扫描技术中，在水平方向旋转的是扫描仪的机身，在竖直方向上运转的是扫描仪的滤光镜，与此同时，发射器利用向外发射的激光，从上到下、从左到右对被测量的对象进行扫描，它会把三维激光扫描出来的数据和信息存入设备的硬盘中，通过点云后的处理，这些点云数据就会呈现在我们的电脑上[2].

3 三维激光扫描技术的优点和不足

3.1 数据的采样率高

一些传统的测绘和测量仪器，如全站仪、经纬仪、GPS等，是很难采集高分辨率、高密度的数据和信息的.三维激光扫描仪的三维扫描激光在几秒内就可以采集到上千个数据，在一定程度上突破了传统测绘仪器的单点模式，还可以获得更多物体的三维空间信息和数据.

3.2 采用非接触测量方式

非接触测量方式是指三维激光不需要通过反射棱镜，就能直接获取物体表面三维数据和信息的一种方式.这种不经过接触就可以对目标进行扫描的测量方法能够准确获取三维环境数据，完成危险目标，这些都是传统的测量仪器所无法完成的.

3.3 受外界影响比较小

传统的摄影测量技术在夜晚无法进行作业操作，而三维激光测量技术能够获得广大的测量领域和测量时间，这种技术在任何时间都可进行作业操作.此外，传统的摄影测量技术受温度的影响较大，这会使工作不能连续正常地进行.而三维激光扫描测量技术受温度的影响较小，可以保证工作的顺利完成.

3.4 受到的约束较低

传统摄影技术在测量时，必须在合适的角度和位置才能够进行测量，并且需要把一些对照片有较大影响的数据进行处理，然后才能生成立体的模型.而三维激光扫描技术则操作方便灵活，它在完成对点云数据的拼接以后，可直接建立三维模型. 3.5数字化采集的方式，具有很好的兼容性

三维激光扫描技术可以直接采集大量的、具有全数字特征的数据和信息，这为后期的处理提供了很大的方便.同时三维激光扫描技术具有很好的兼容性，用户的界面经过后期的处理后，可以与其他的软件实现三维信息的互换和共享.

3.6 可以与GPS系统外置的数码相机相互配合使用

目前，GPS定位系统极大地扩大了三维激光扫描技术的应用领域，从而使工程上的许多难题都应刃而解.GPS系统外置的数码相机极大地加强了三维激光扫描仪的扫描功能，使工作人员能够获得更为全面和准确的信息和数据[4].

三维激光扫描技术作为一种新兴的技术一直在不断的进行完善，但是，它也存在着一些不足的地方:

1.三维激光扫描仪是一个具有复杂构造的系统，很难检验与维修.因为其仪器设备的价格非常高，市场上把三维激光扫描仪定位为高档的仪器设备，所以三维激光扫描技术的推广会受到自身价格的制约.

2.三维激光扫描仪点云数据的后处理方式非常浪费时间和精力.其数据的处理时间是数据获取时间的10倍之多.三维激光扫描仪具有扫描容易、处理困难的特点，所以还要继续开发对数据的处理方式.

3.三维激光扫描仪的扫描后处理软件技术目前还不够完善，各个厂家和商家自成一个体系，彼此之间都是互不相容的，而且他们还缺乏统一的行业道德和行业标准.

4.三维激光扫描仪在三维建模方面具有很强的主观性，虚拟动画对非专业的人们具有很大的迷惑性，导致他们容易忽视三维模型的科学性和可量测性[5].

4 三维激光扫描技术在数字化矿山中应用的技术依据

以前传统的测量仪器只能够得到一些导线的坐标数据、巷道中线、断面等特征点，因此要建立全面而真实的巷道模型是比较困难的.据观测得出，在井下650m处形成的巷道内存在阴暗、潮湿、高温、空间狭小等许多不利因素.为了能获取巷道内更加详细的信息，从而快速高效地完成扫描任务，特地选用具有高效移动性、高清晰等优点的三维激光扫描仪.前面已经提到三维激光扫描仪的特点，所以用户在任何环境下都可以使用这种扫描仪，它比较适合在复杂多变的井下环境中进行扫描测量工作.目前，三维激光扫描技术主要能满足矿山以下几方面的需求：

4.1 金矿的开采量计算是一项重要而艰巨的任务，需要工作人员快速、准确地计算出开采量，并且还要管理好后续的事情.传统测量仪器的体积测量方法往往误差比较大，而激光扫描测量技术具有精确度高、采样率高等特点，它可以快速、高效地解决采矿量的验收和后续问题，可快速、全面地采集矿山空间信息.经过三维激光扫描技术的后续数据处理后，还可以把这些数据和信息生成工作人员所需要的各种数据报表、三维模型以及效果图，从而实现对矿山的数字化管理与可视化管理.

4.2 实现三维立体的直观设计

对于矿山中矿藏的贫化量、损失量及设计的工程量，以前只能利用传统的计算技术来估算平面的面积，得出来的结果也只能是一个估算值.而三维激光扫描技术能够通过测量获取数据，可建立无轨机械化采场巷道的三维模型和详细的金矿矿体实体模型，以这些模型为基础还能对矿山进行精确、直观的设计，从而更好地为决策者提供有力的技术支撑，同时，还可以使技术呈现标准化、高效化、信息化等特点，促进技术管理工作由手工方式向数字化方式转型[5].

4.3 为数字化矿山软件提供大量急需的空间数据

通过传统测量技术获得的地质资料而建立起来的矿体实体模型，很难真实构造全面巷道的三维场景，巷道是井下各种环境要素的载体，因此，巷道三维模型快速准确地重现对于矿山的施工决策、安全开采等具有很重要的意义.三维激光扫描仪可以获取高精度的数据及其模型，还可以有效地整合并利用现有的资源，大大提高了矿区生产管理的信息化水平[6].

5 三维激光扫描技术在数字化矿山中的应用方向

5.1 数字化矿山的三维化和立体化管理

5.1.1 矿山地下巷道的三维化和可视化管理

三维激光扫描技术记录着地下巷道中所有的数据和信息，巷道内的三维模型是通过三维激光扫描所采集到的数据和信息所建立的，它可以将地下的各种情况立体、直观地展现在我们面前，并且工作人员还能详细地了解地下巷道的工作进度，从而对整个地下矿区进行透视和管理.此外，在巷道的三维模型中，可以使用通讯设备，并查看一些设备的信息.地下巷道三维模型的建立，能够精确地显示工作人员的具体实际位置，还可以使工作人员的运动轨迹回放.

5.1.2 建立矿山的三维模型

矿山的三维模型是指用三维激光对矿山的一些建筑和设施进行扫描，可以从中采集到大量的数据和信息，然后利用这些数据和信息来建立数字化矿山的三维模型.在特定的三维软件中记录着真实和详细的信息与数据，矿山的管理部门可以正确地了解各种设施的具体特点和属性.这样，就实现了矿山的数字化管理功能.

5.2 矿山开采体积的精确计算

利用三维激光扫描技术，可以实现对露天矿坑进行定期的扫描，通过从中采集的数据和信息来建立矿山数据模型.之后把建立的数据模型进行叠加分析，我们不但能够得到一些变化性的模型，而且可以计算此阶段内开采的矿山体积.

5.3 矿山Web数据的浏览和计算

利用三维激光扫描技术，我们能够获取大量的矿山采集信息与数据.与其相匹配的数码相机能够采集矿山纹理结构，之后通过三维激光扫描点云后处理软件，可以生成的Web点云.此外，还能把矿山的情况通过网络的形式进行三维展示.利用三维激光扫描技术进行量算可获得十分可靠的结果，因此其也具备比较精确的量算功能.所以，通过采用矿山Web点云，管理者能够准确、有效地掌握矿山内部的所有细节.

5.4 矿山采空区的数字化治理

随着开采时间的积累，大量矿山因为长期地下开采而出现一定数量的采空区；而这些大量采空区已然成为制约数字化矿山快速发展的重要危险因素，严重束缚了矿山的正常生产经营.因此对采空区边界、形态、大小等信息必须做到准确掌握，同时制定出科学、有效的处理方案，尽一切可能杜绝采空区可能引发的安全事故，而这正是三维激光扫描技术的优势所在.其优势之一的非接触式测量非常适用于对矿山采空区的探测，此技术不但能够准确地确定采空区的位置和分布情况，还能通过矿山的三维模型计算采空区的实际边界与体积，以及顶板面积.此技术的应用，能够真正实现采空区计算上的三维可视化，为数字化矿山建设提供强有力的技术保障[7].

6结语

三维激光扫描技术利用自身实时性强、数字化、精度高等特点，可以快速、高效地获取三维数据，彻底地改变了传统的数据获取方式，为广大用户提供了全新的三维实景记录手段，为测量成果的准确应用提供了多种可能.在目前矿山测量的应用中，三维激光扫描技术尚处于起步阶段，但是因为自身所拥有的独特技术优势与特点，其必将为矿山测量技术的快速发展提供强有力的支持.三维激光扫描技术在数字化矿山领域的应用前景是十分广阔的.

〔1〕朱良峰，吴信才.基于钻孔数据的三维地层模型的构建[J].2004：20(3):26-30.

〔2〕吴立新,史文中.论三维地学空间构模[J].地理与地理信息科学,2005,21(11-14).

〔3〕赵安新.数字化矿山及其关键技术的应用与研究[D].西安:西安科技大学，2006.40-42.

〔4〕石友峰.三维激光扫描技术在测量中的应用研究[D].西安：长安大学,2007.10-13.

〔5〕刘昌军，赵雨.基于三维激光扫描技术的矿山地形快速测量的关键技术研究[J].测绘通 报，2012 (6):43-46.

〔6〕王田磊，袁进军.三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用[J].测绘通报,2012(9): 44-47.

〔7〕张亚.三维激光扫描技术在三维景观重建中的应用研究[D].西安：长安大学，2001.30-32.

TD17

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1673-260X（2014）06-0053-03