三维激光扫描技术在矿山储量监测中的应用探讨

摘 要： 三维激光扫描仪在近十年来取得飞速发展，由于其特有非接触，高速，全信息化的采集数据能力。使其在众多领域获得广泛的应用：从工程建设，考古研究，地质灾害，森林分析，测绘与地理信息，刑事侦查等。本文主要通过三维激光扫描在矿山储量测算中的应用分析，剖析三维激光扫描技术与传统测算技术的优劣以及其在矿山管理中的应用前景。

关键词： 矿山储量 点云 矢量数据模型 三维激光扫描技术

一、矿山储量管理现状

1.管理的内容和技术方法：矿山储量动态管理的目的是适时、准确掌握矿山资源储量保有、变化情况，促进矿山资源储量的有效保护和合理利用。并通过矿山测量、矿山地质调查等工作，建立矿山储量台帐，编制矿山生产有关图件及《矿山储量年报》方式来实现。

而矿山测量是矿山储量管理最基础性技术工作，其主要工作内容是在矿山建设和生产过程中进行地上、地下工程施工测量，测绘采掘（剥）工程图，绘制矿体几何图，对采掘工程的数量和质量、采矿量和矿石损失贫化等进行统计和监督。测制矿区大比例尺地形图或现状图。

现行的矿山测量一般都采用全站仪或GPSRTK采集矿区平面和高程数据，结合设计开采（范围，坡度，台段高度）信息，通过人工计算或AUTOCAD等软件几何作图求出各开采段的矿产剖面形状，再利用下列公式估算开采量：

公式①：当上、下断面面积差比值 ≤40%时，采用棱柱体公式计算，公式为V= （S1+S2）。

公式②：当上、下断面面积差比值 >40%时，采用截锥体公式计算，公式为V= （S1+S2+ ）。

公式③：当块段仅有一个断面有效，另一端作点尖灭时，采用角锥体公式计算，公式为V= S。

公式④：当块段仅有一个截面有效，另一端作线形尖灭，采用楔形体公式计算，公式为V= S。

上面的方法实质是断面法的变异，也可以根据一般的土石方计算软件采用方格网法进行计算。

计算附图也主要以二维平面图为主。输出的数据是离散的数据文件，包括图形文件：*.dwg，文档数据*.doc或*.xls。

2.存在的问题

目前所应用的矿山测算方法已经沿用多年，虽然对矿山的动态管理和矿山年报的制作起到一定的作用，但与矿产资源精细化、信息化管理还有相当大的差距。而在全省，乃至全国露天矿数量众多，其开采状况与自然环境有密切的关系。加强对这些矿山的管理和监测不仅是矿山资源管理的任务，也是环保部门迫切需要关注的问题。

传统的矿山测算方式存在以下不足：

1， 全站仪或GPS测量是粗放的采集离散点，尤其是在开挖不规则的矿区，其与实际情况的吻合度较低。

2， 传统方法采集数据需要人员到地形特征点跑尺，不仅带有一定的危险性，而且其测量效率低下。

3， 传统的矿山测量数据后处理，采用的计算方法落后（粗放的近似估算），数据处理自动化程度低，计算结果带有较大的误差。且成果的直观性差，可验证性不大。

4， 输出的图形形式单一，可读性不高；文档结构松散，不便于归档，查询，更新，分析，统计，共享和预决策使用。

二、三维激光扫描技术原理及发展趋势

三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。新型扫描一般配置同轴高清数码相机，在采集点云数据同时采集对象的栅格图像数据，并能实现点云栅格数据的匹配。新型扫描仪的扫描速度都在10000点/秒以上。由于其能快速，精确，全面信息采集功能，使得其应用无所不在。以徕卡新型HDS8800扫描仪为例，该仪器最大测程为2000米，视场角360*80，内置同轴7000万像素相机，预留GPS通讯端口。其配置的专业I-Site Sudio数据处理软件，能进行扫描仪控制，拼接，建模 （二维，三维），数据导出，体积、表面积计算，生成等高线，绘制断面图、产状图，三维场景渲染，建筑总平面等图和立面图绘制。非常适合矿山，地形，海岛滩涂，电力线路巡检等远距离监测应用。随着三维数字城市，智慧城市，物联网技术的飞速发展。三维扫描仪在虚拟地理环境（VGE）中的应用将会得到普遍的应用。

三、案例应用

1.以某石矿为例来说明三维激光扫描仪的应用优势：

某石矿位于浙江省新安江市，采掘面积约0.09平方公里，年开采量约10万吨。2011年运用传统方法和三维激光扫描方法同时对概况进行储量开采测量。为了能更好的进行比较，验证三维激光扫描仪技术的精度。我们在采用传统全站仪采集数据时分成3个等级进行。第一个等级用了15米采样间距；第二个等级用了10米采样间距，第三个等级用5米采样间距。三维激光扫描是采用0.1m/200m的采样密度进行。

2.结论：

通过上面的例子我们明显的看到，应用三维激光扫描技术来进行矿山地质测量工作，有着传统测量无法比拟的优势，主要表现以下几个方面：

1， 采集数据信息丰富。三维激光扫描仪不仅仅采集单一的平面几何数据，通过内置数据相机，能够采集到实体对象的属性信息（色彩，形状，物体类型，材质等）。这些数据的通过叠加能够实现所谓的“实景复制”。

2， 安全高效。激光扫描技术属于非接触测量，对于人力无法到达或危险地区如悬崖，沼泽，高压设施等，激光扫描技术无疑是最佳选择。其高密度、高速成片扫描既保证了扫描的质量和速度，同时也大大提高生产的安全性。

3， 成果的可靠性。三维扫描获得的是海量的点云数据，其后处理是通过计算机模型自动处理，不仅提高测量数据的可靠性，同时也减少了内业的任务量。“实景数据”可以随时调用，在线历史现场。是历史回溯的宝贵资料。

4， 数据的通用性。三维扫描数据既有矢量数据，又有栅格图像数据，二者是严格匹配的。也是与目前的三维GIS数据要求一致的，可以根据需要随时将这些数据转换到GIS管理系统。实现矿山三维动态实时监管。

当然，作为一门新兴的测量科学技术 ，三维激光扫描仪的应用也有其局限性。就矿山储量管理应用而言，它无法探测矿体内部结构，所以无法获得矿体的产状。这对产状复杂的金属矿床来说，其应用受到大大的限制。但与地质勘探资料结合，采取适当的建模方式，对于提高金属矿，尤其是贵金属矿的估算精度还是非常有价值的。总之，三维激光扫描技术对于正在蓬勃发展的虚拟地理环境（VGE）建设给予越来越多的支持，有着广阔的应用前景。

参考文献

[1] 张国良.矿山测量学[M] 中国矿业大学出版社，2008.10

[2] 谢宏全 地面三维激光扫描技术与工程应用[M] .武汉大学出版社 ，2013年

[3] 李清泉，杨必胜，史文中. 三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉：武汉大学出版社，2003.