赵梦ZHAO Meng；李雷LI Lei；侯会平HOU Hui-ping

（①山东煤田地质局第三勘探队，泰安 271000；②山东科技大学，青岛 266590；③山东能源淄矿集团许厂煤矿技术科，济南 250014）

（①The Third Exploration Team of Shandong Province Bureau of Coal Geology，Taian 271000，China；②Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；③Shandong Energy Zibo Mining Group Co.，Ltd.Xu Factory Coal Mine Technology Division，Ji'nan 250014，China）

0 引言

众所周知，露天矿生产比较特殊，因此，与其相应的测量工作也有自身特点。但随着测绘技术的不断发展，露天矿的随时采挖和采挖后泥土填补，都要求测量能及时跟上，而常规仪器的精度和效率已经不能满足当前矿山测绘的效率和精度要求。[1][2]

三维激光扫描技术是一种新的测量技术。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。[3]由于受传统测量手段的影响，我国矿山储量、开采量等数据一直处于不精确状态，而三维激光测量技术的出现和发展能够为矿山测量的理论与技术实现这一目标提供良好的技术保障。

1 露天矿测量概述

露天矿测量的主要目的是矿山储量地质测量，就是以矿山的矿产勘查报告、储量核算报告和上年度矿山储量年报等资料为基础，运用实地测量及矿山采样测试、地质编录等技术手段，通过一系列资料整理，粗略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，编制本年度矿山资源报告。它最核心的工作就是解决矿体的测算精度和历年相关储量数据的一致性、连续性问题。因此，必须要搞好矿山储量的动态监管，建立以资源消耗量为基础的矿产资源补偿费征缴制度，其核心工作是要采用满足《规范》精度要求的测量技术和方法。

2 常规测量技术的缺点

2.1 测量精度低 矿山开采面的不规则性和常规地质测量选取特征点采集数据的局限性对测量成果的精度影响较大，主要有以下几个方面：①测区地形的复杂情况；②特征点选取的位置；③特征点分布的密度；④计算模型的选择。在平坦的矿山开采面上作业，都有一定保证的，但对于采掘面十分复杂的露天矿山来说，有很多地方岩壁陡峭，作业人员根本无法到达，因此特征点的选取位置和密度就不能得到满足。根据《地质矿产勘查测量规范》的技术要求，其剖面点的高程中误差不得超过1/3 等高距。目前，在实际的工作当中，矿山的开采储量都是经过补做外业工作或多次核算来完成的。由此可见，常规矿山地质测量技术的落后已经严重影响了矿山储量的可信性，制约了矿山储量动态监管的实际效果。

2.2 测量速度慢 常规的地质测量技术受外界条件、人员和仪器的影响较大，速度比较慢。通常，一个作业小组完成一个矿山的全部测量工作需要两天，而矿山储量动态监管要求时效性很强，一般的作业时间只有九十天左右，这样，一个作业小组只能测量四十多个矿山，可以看出，传统地质测量技术是很难满足矿山储量动态监管需要的。

2.3 安全隐患多 露天矿开采面有诸如落石、陡峭的山体、不稳定的矿体等不安全因素，这样，测量人员的工作环境就很危险。然而，无论采用什么样的安全措施都无法从根本上消除客观存在危险，最好的办法只能是远离开采区。

2.4 直观性差 常规的地质测量技术采用的是数据报表，并没有与数据相对应的矿山图像，因此，监管人员无法直观了解矿山的实际开采状况。

3 三维激光扫描技术的原理及特点

3.1 三维激光扫描技术的原理 三维激光扫描仪是一个高级的非接触式空间结构测量系统。通过发射红外线光束，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，扫描仪将获得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，获得点云数据。对于扫描物体表面测量点Mj，每个完整扫描会产生点云的三维坐标(Xm，Ym，Zm)。代表一个点云∑Mj（Xm，Ym，Zm）作为扫描结果，其中

式中，X0，Y0，Z0表示激光扫描点中心的位置，可根据数据解算需要设置：φ,ω,κ 为初始的姿态参数，β 为每个激光点与初始姿态夹角，r 为每个激光点测距结果。

3.2 三维激光扫描技术的特点 三维激光扫描技术为矿山测量提供了重要的技术手段，与常规测量相比，它具有以下特点。①非接触测量，能够对任意物体进行扫描；②采样速度快、密度高，时效性和精度有保证；③数据处理快，能够快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据；④数字化采样，兼容性好，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件对接。⑤可与外置数码相机、GPS 系统配合使用，大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，对信息的获取更加全面、准确；⑥结构紧凑、防护能力强适合野外使用。目前常用的扫描设备一般具有体积小、重量轻、防水、防潮，对使用条件要求不高，环境适应能力强，适于野外使用。

4 三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用

4.1 三维激光扫描仪工作流程简介 ①要进行实地踏勘，根据测区的实际情况，选择若干个能够长期保存的控制点，合理布设扫描测站；②按照工作计划进行数据采集工作。在控制点安置仪器，按仪器的操作要求在实地获取点云数据；③对采集好的点云数据进行统一坐标系统、拼接、去噪等预处理；④建立三维影像模型；⑤根据工程的实际需要计算相关数据。

4.2 提交的主要测绘成果 通过建立真实的三维模型，匹配真实影像数据作为模型纹理形成的矿山扫描影像；点云数据和矿体的三维模型；在三维模型的基础上，通过测绘技术手段完成的大比例尺矿区地形图和地质图；根据矿产分布、作业能力和技术手段绘制矿山开采区块分析图；地形、地质测量的成果质量分析报告。

5 应用实例

以上对三维激光扫描技术和三维激光扫描仪进行了介绍，下面结合实例分别用三维激光扫描仪和普通测量仪器对两个露天矿进行测量，测量分四个组同时进行，每个矿均安排两个组，分别采用不同的测量方法，根据实地情况，简单分析如下：表中是两个大型露天矿采用两种测量方法分别得出的数据。矿A 的开采面坡度变化小比较规则，矿B 的开采面坡度变化大比较复杂，具体数据如表1。

表1

通过此表，可看出以下几点：①三维激光扫描技术可以在短时间内获取大量测量点，获得更加严密、真实、客观的点云数据，从而可以大大提高露天矿山地质测量精度；②三维激光扫描技术能够大大节约人力和时间；③三维激光扫描技术能够将数字高程模型与获得的影像融合，这是由于该技术融合了动态分析技术；④从测量结果上来说，三维激光扫描技术获得的结果比传统技术获得的结果更加稳定可信。

[1]童光煦.高等采矿学[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[2]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[3]徐进军.地面三维激光扫描仪现状与发展[J].测绘通报，2007（1）：47-50.