矿山测绘中三维激光扫描技术的应用研究.pdf

2023年6月下 世界有色金属13冶金冶炼Metallurgical smelting矿山测绘中三维激光扫描技术的应用研究朱子斌（中国建筑材料工业地质勘查中心贵州总队，贵州 贵阳 5 5 0 0 0 0）摘 要：科技的迅猛发展使得三维激光扫描技术在矿山测绘中得到广泛应用。矿山测绘是矿业生产的重要环节，其准确性对矿山生产的安全和效率至关重要。但传统的矿山测量方法存在精度低、效率低、人工成本高等问题，而三维激光扫描技术可以有效解决这些问题。本文将深入探讨三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用，为矿山测绘工作者提供参考。关键词：矿山测绘；三维激光扫描技术；应用中图分类号：P 6 2 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 2-0 0 1 3-3Research on the Application of 3D Laser Scanning Technology in Mine Surveying and MappingZHUZi-bin(G u i z h o u He a d q u a r t e r s o f C h i n a C o n s t r u c t i o n Ma t e r i a l s I n d u s t r y G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n C e n t e r,G u i y a n g 5 5 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:Wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f t e c h n o l o g y,t h e a p p l i c a t i o n o f 3 D l a s e r s c a n n i n g t e c h n o l o g y i n mi n i n g s u r v e y i n g a n d ma p p i n g i s b e c o mi n g i n c r e a s i n g l y w i d e s p r e a d.Mi n e s u r v e y i n g a n d ma p p i n g i s a n i mp o r t a n t l i n k i n mi n i n g p r o d u c t i o n,a n d i t s a c c u r a c y i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r t h e s a f e t y a n d e f f i c i e n c y o f mi n i n g p r o d u c t i o n.T h e t r a d i t i o n a l Mi n e s u r v e y me t h o d h a s t h e d i s a d v a n t a g e s o f l o w p r e c i s i o n,l o w e f f i c i e n c y,h i g h l a b o r c o s t,a n d t h e a p p l i c a t i o n o f t h r e e-d i me n s i o n a l l a s e r s c a n n i n g t e c h n o l o g y c a n e f f e c t i v e l y s o l v e t h e s e p r o b l e ms.T h i s a r t i c l e w i l l d e l v e i n t o t h e a p p l i c a t i o n o f 3 D l a s e r s c a n n i n g t e c h n o l o g y i n mi n i n g s u r v e y i n g a n d ma p p i n g,a i mi n g t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r mi n i n g s u r v e y i n g a n d ma p p i n g w o r k e r s.Keywords:mi n e s u r v e y i n g a n d ma p p i n g;3 D l a s e r s c a n n i n g t e c h n o l o g y;a p p l i c a t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：朱子斌，生于1 9 8 9 年，侗族，贵州石阡人，本科，研究方向：测绘（航测，地理信息系统）。随着矿产资源逐渐枯竭，矿山的勘探、开采、治理和管理面临越来越大的挑战。作为矿山勘探和管理的重要环节之一，矿山测绘对于矿山的可持续发展具有重要意义。然而，传统的矿山测绘方法已经无法满足需求，因此需要引入新的技术手段。作为一种新兴的测绘技术，三维激光扫描技术在矿山测绘领域具有广阔的应用前景。在现代矿业生产中，科技创新是提高效率、降低成本的重要手段。三维激光扫描技术以其精度高、效率高、成本低的特点成为矿山测绘领域的热门技术。该技术能够快速、全面、精确地扫描矿山现场，生成真实的三维模型，为矿山生产管理提供可靠的数据支持。1 三维激光扫描技术的原理三维激光扫描技术是一种基于激光反射原理实现的测量方法，可以快速、准确地获取物体表面的三维几何信息。其原理是利用激光发射器向目标物体表面发射激光束，然后通过接收器接收反射回来的激光，再利用计算机对激光点云数据进行处理，从而重建出目标物体的三维模型。三维激光扫描技术的实现需要使用一系列设备，包括激光发射器、接收器、扫描仪和计算机等。其中，激光发射器用于向目标物体表面发射激光束，接收器用于接收反射回来的激光。扫描仪用于控制激光束的扫描方向和速度，实现对物体表面的全方位扫描。计算机用于处理和重建采集的激光点云数据。在实际应用中，三维激光扫描技术通常采用两种扫描方式，即时间飞行（TOF）扫描和相位差（PS）扫描。时间飞行扫描利用激光脉冲在空气中的传播速度和反射回来的时间差计算出距离，从而得到物体表面的三维点云数据。相位差扫描利用激光脉冲的相位差异计算出距离，同样可以获取物体表面的三维点云数据。三维激光扫描技术的精度和效率受多种因素影响，包括激光器功率、扫描仪分辨率、采样密度以及物体表面的反射性质等。在实际应用中，需要根据具体场景选择合适的设备和参数，以获得最佳的扫描效果。2 三维激光扫描技术工作的应用特点第一，三维激光扫描技术具备非接触式测量的特点，能够在不接触物体表面的情况下获取到其三维数据。这对于一些需求进行无损测量的应用场景非常有益，例如文物保护和古建筑保护。在这些场景中，传统的接触式测量方法可能会对物体表面造成破坏，而三维激光扫描技术则能够避免这个问题的发生。第二，三维激光扫描技术能够实现高精度的测量，达到亚毫米级别的精度。这使得它在需要高精度测量的应用场景中非常有用，例如制造业中的质量控制和医疗设备中的测量。高精度的测量可以确保产品或设备的质量和可靠性，同时还能提高生产效率，减少浪费和损失。第三，三维激光扫描技术能够实现全方位的测量，获取物体表面的全貌数据。这对于需要了解物体表面形态的应用场景非常有用，例如文化遗产保护、建筑设计和数字艺术。世界有色金属2023年6月下14冶金冶炼Metallurgical smelting全方位的测量能够为这些应用场景提供全面的数据支持，帮助人们更好地理解和保护文化遗产，设计出更卓越的建筑，创作出更出色的数字艺术作品。第四，三维激光扫描技术具备高效率和高自动化的特点。采用三维激光扫描技术可以极大地减少测量时间和人力成本，同时还能提高测量的可重复性和一致性。这对于需要进行大规模测量的应用场景非常有利，例如城市规划、公路建设和地铁建设。在这些应用场景中，需要测量大量的物体或场景，如果采用传统的测量方法可能会耗费大量的时间和人力，而采用三维激光扫描技术可以极大地提高效率。第五，三维激光扫描技术提供多种数据处理和可视化方法，能够为用户提供更加丰富和直观的数据展示。在数据处理方面，三维激光扫描技术能够实现多种数据处理方法，例如点云配准、三维重建和表面拟合。这些方法能够为用户提供更加准确和完整的数据信息。在数据可视化方面，三维激光扫描技术能够实现多种可视化方法，例如点云可视化、三维模型可视化和虚拟现实。这些方法能够为用户提供更加直观和生动的数据展示。第六，三维激光扫描技术可以与其他技术结合使用，实现更加复杂和多样化的测量需求。三维激光扫描技术可以与数字摄影、激光雷达、测距仪等多种技术结合使用，实现更加复杂和多样化的测量需求。例如在建筑设计领域，可以将三维激光扫描技术与数字摄影技术结合使用，实现建筑物外部和内部的全方位测量。3 三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用3.1 数据收集与计算数据收集是矿山测绘中应用三维激光扫描技术的第一步，数据的质量和准确度对后续计算和分析结果起到直接影响。数据收集可以分为前期准备、现场操作和数据后处理三个阶段。在前期准备阶段，需要进行场地勘察，确定测量范围、数据密度和测量精度等参数。同时，还需确定数据收集的时间和地点，并制定安全措施。在现场操作阶段，需要设置和调试设备，保证其准确性和稳定性。在进行数据收集时，还需要对设备进行标定，确定其内外参数，以确保数据的准确性。同时，需要进行数据处理，去除噪声和无用数据，保留有价值的信息。在数据后处理阶段，对采集到的数据进行处理和分析，得出三维模型或点云数据。数据处理方法主要包括数据对齐、点云配准和点云融合等。在矿山测绘中的计算过程主要包括点云数据处理、三维重建和数据分析三个方面。首先，点云数据处理是对采集到的点云数据进行清洗和处理，去除噪声和无用数据，保留有价值的信息。点云数据处理包括数据滤波、数据分割和数据分类等步骤。数据滤波是对点云数据进行滤波处理，去除噪声和无用数据，保留有用数据。常用的数据滤波方法包括高斯滤波、中值滤波和基于统计学的滤波等。数据分割是将点云数据分割成不同的区域，以便后续处理。常用的数据分割方法包括基于平面拟合的分割、基于曲率的分割和基于区域生长的分割等。数据分类是将点云数据按照类型进行分类，以便后续处理和分析。常用的数据分类方法包括基于形状、颜色和纹理的分类。三维重建是将采集到的点云数据重建成三维模型。三维重建方法主要包括基于点云和基于影像的两种。基于点云的三维重建是通过对点云数据进行表面重建，生成三维模型。常用的基于点云的三维重建方法包括网格重建、多边形化和几何重建等。基于影像的三维重建是通过多张影像进行三维重建，生成三维模型。常用的基于影像的三维重建方法包括三角剖分、图像匹配和体素重建等。数据分析是对采集到的数据进行分析和处理，得出有价值的信息。数据分析主要包括形态分析、体积计算和变形分析等。形态分析是对矿山内部结构的形态进行分析和处理，得出结构的特点和规律。形态分析包括表面分析、拓扑分析和形态量化等。体积计算是对矿山内部物体的体积进行计算和处理，得出物体的大小和数量。体积计算包括体积测量、重心计算和质量计算等。变形分析是对矿山内部结构的变形进行分析和处理，得出结构的变形程度和方向。变形分析包括形变测量、位移测量和速度测量等4。3.2 建立矿山三维立体模型数据采集。构建矿山三维立体模型的第一步是进行数据采集。三维激光扫描技术是一种非接触式测量技术，通过激光器将激光束照射到矿山内部结构上，并记录每个激光束照射点的位置和反射信号强度，最终生成点云数据。为了得到准确、全面、高质量的点云数据，需要注意以下几点：点云密度越高，模型的细节表现越好。因此，在采集点云数据时应该根据需要选择合适的扫描分辨率和扫描角度，确保采集到的数据点密度足够；点云数据的质量直接影响后续处理和分析的准确性。因此，在采集点云数据时应该注意避免重叠和缺失，尽可能减少干扰因素的影响；数据标定是指对扫描设备进行校准，确保采集到的数据准确无误。在采集点云数据前，应该对扫描设备进行标定，校准扫描仪的位置、方向和参数等信息，确保采集到的点云数据与实际矿山内部结构相符。点云处理。采集到的点云数据需要进行处理，以去除噪声、补洞、滤波等，保证点云数据的准确性和完整性。常用的点云处理方法包括：点云数据中可能会存在一些噪声点，影响后续处理和分析的准确性，去噪方法包括基于距离的去噪、基于法线的去噪、基于聚类的去噪等；点云数据中可能存在一些缺失或空洞，需要进行补洞处理，以保证点云数据的完整性，补洞方法包括基于网格的补洞、基于边缘的补洞等；点云数据中可能存在一些离群点或异常点，需要进行滤波处理，以去除干扰因素，滤波方法包括基于统计的滤波、基于曲面拟合的滤波、基于网格的滤波等。三维模型重建。经过点云处理后，就可以进行三维模型重建了。三维模型重建是将点云数据转化为三维立体模型的过程，主要包括以下几个步骤：将采集到的多组点云数据进行配准，以获得全局一致的点云数据；将点云数据转化为网格数据，以方便后续处理和分析；将多个网格模型拼接起来，形成一个完整的三维立体模型；对模型进行修整，包括填补孔洞、削减多余部分等，以获得更加精细的模型；为模型添加纹理信息，以提高模型的真实感和表现力。2023年6月下 世界有色金属15冶金冶炼Metallurgical smelting3.3 数字栅格测绘地形图点云数据处理非常重要，主要包括以下几个步骤。首先，需要对采集到的点云数据进行去噪处理，以去除可能存在的噪声或无效点，提高数据质量。去噪方法可以采用基于统计、基于曲面拟合、基于形态学等不同技术。其次，需要对多组采集到的点云数据进行配准，以确保点云数据的全局一致性。配准方法包括基于特征、基于ICP算法、基于GPS等多种选择。此外，还需要对点云数据进行滤波处理，去除离群点或异常点，以提高数据的准确性。滤波方法可以采用基于统计、基于曲面拟合、基于网格等技术。在完成点云数据处理后，可以进行数字栅格地形图的制作。这一过程主要包括以下几个步骤。首先，需要将点云数据转化为网格数据，以便于后续处理和分析。网格化方法包括基于体素、基于几何形状等不同技术。其次，对网格数据进行高程插值，获得地形的高程信息。高程插值方法可以采用逆距离权重、样条插值、Kriging插值等不同方法。另外，还可以通过等值线提取算法将地形数据转化为等高线信息。等值线提取算法包括基于三角剖分、基于格网等不同技术。最后，将地形等值线信息转化为数字栅格地形图。数字栅格化方法包括基于插值、基于插值和等值线等多种选择。对于数字栅格地形图，在制作完成后，可以进行各种分析，提取有用的地形信息。例如，可以进行地形剖面分析、地形坡度分析、地形曲率分析、地形流域分析等等。3.4 GPS测绘技术三维激光扫描技术能够迅速获取矿场现场的三维点云数据，但由于激光扫描的限制，不可避免地会出现一些数据缺失或误差。在这种情况下，GPS测绘技术可以弥补这些缺陷，提高测量精度和数据完整性。因此，将GPS测绘技术与三维激光扫描技术相结合应用，可以更全面、准确地获取矿山地形和地貌信息。获取基准点：GPS技术可以获取用于矿山测量的基准点，为三维激光扫描技术提供了空间坐标参照系，增加了数据的精确性和可靠性。精确定位：通过高精度的定位技术，GPS技术可以将三维激光扫描获得的点云数据进行定位，使数据更加精确和准确。验证数据：GPS技术能对三维激光扫描获得的点云数据进行验证，识别出其中的误差和不完整数据，并进行修正和补充，提高数据的完整性和精度。完善数据：结合三维激光扫描技术获得的点云数据，GPS技术可以对数据进行补充和完善，例如在缺少数据的区域进行补充测量，使地形地貌信息与实际情况相符，提高数据的真实性和可靠性。矿山管理：将GPS技术与三维激光扫描技术结合应用还可用于矿山的管理和运营，例如利用GPS技术对矿山设施进行实时监控和管理，结合三维激光扫描技术获取的数据，可以提高矿山设施的运营效率和安全性。3.5 采空区数字化治理三维激光扫描技术采集数据：利用三维激光扫描仪对采空区进行数据采集，以获取采空区的三维点云数据。为了获得采空区内部细节的数据，可以使用立体相机或无人机等设备进行数据采集。数据预处理：对采集到的点云数据进行去噪、滤波、配准、拼接等预处理工作，以获得高质量的采空区点云数据6。三维模型重建：通过三维模型重建技术，将点云数据转化为采空区的三维模型。目前常用的三维重建方法包括基于点云的三维重建、基于图像的三维重建和基于多视角的三维重建等。三维模型优化：对重建得到的三维模型进行优化处理，以确保其精度和完整性。常用的优化方法包括面片合并、边界平滑、孔洞填充等。数字化治理：对重建得到的三维模型进行数字化治理，包括裂缝填充、面积计算、体积计算等。其中，裂缝填充是数字化治理采空区的重要步骤，可以通过算法对三维模型中的裂缝进行自动识别和填充。生成数字化采空区图：将处理后的三维模型数据进行二维化，可以生成数字化采空区图，其中包括采空区的边界、面积、体积、高度等信息。数据后处理：对数字化采空区图进行后处理，包括颜色渲染、特征标注等，以便于用户对数字化采空区图进行更直观的观察和分析。4 结语综上所述，随着矿业生产的不断发展，矿山测绘工作的重要性越来越凸显。作为一种新兴的测绘技术，三维激光扫描技术在矿山测绘中具有广泛的应用前景。通过对三维激光扫描技术的研究和应用，可以为矿山的勘探、开采、治理和管理等方面提供可靠的数据支持，提高矿山勘探和管理的效率和精度。同时，三维激光扫描技术的应用也可以促进矿山的智能化和数字化转型，为矿山的可持续发展做出贡献。然而，三维激光扫描技术在应用中也存在一些问题和挑战，例如设备成本较高、数据处理和管理复杂等。因此，在今后的矿山测绘中，需要进一步探索和完善三维激光扫描技术的应用，加强技术创新和研发，降低设备成本和数据处理难度，以更好地服务于矿山勘探和管理工作，推动矿山的可持续发展。1黄晓群.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用研究J.工程与建设,2022,36(05):1260-1262+1297.2刘培坤.三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用J.工程技术研究,2022,7(18):194-196.3洛桑.矿山测绘中三维激光扫描技术的应用探讨J.中国金属通报,2022,(08):195-197.4马旭东,张文君,杨元继,刘晨阳,申锐,何宗翰.浅析矿山地质测绘中三维激光扫描技术的应用J.世界有色金属,2021,(18):30-31.5刘 汉 胜.矿 山 测 绘 中 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 应 用 J.山 东 工 业 技术,2019,(08):74.6郭芳涛.机械设计制造及其自动化中计算机技术的应用J.现代制造技术与装备,2020,(02):188-189.