矿山地质测绘中三维激光扫描技术的应用解析.pdf

2023年8月上 世界有色金属37测绘技术Mapping technology矿山地质测绘中三维激光扫描技术的应用解析陈国忠（福建省地质测绘院，福建 福州 3 5 0 0 0 0）摘 要：三维激光扫描技术是应用于测绘行业的新型测绘方法，它能够迅速建立高精度的数字化地貌模型，突破了传统单一点法的限制，已被广泛地应用于矿山地质勘探工程，在测绘质量和工作效率上有显著优势。为此，文章论述了三维激光扫描技术在矿山地质测绘工程中的工作原理及使用现状，为实践者提供技术参考。关键词：矿山；地质测绘；三维激光扫描技术中图分类号：T D 1 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 0 3 7-3Application Analysis of 3D Laser Scanning Technology in Mine Geological Surveying and MappingCHENGuo-zhong(F u j i a n G e o l o g i c S u r v e y i n g A n d Ma p p i n g I n s t i t u t e,F u z h o u 3 5 0 0 0 0,C h i n a)Abstract: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 s a n e w s u r v e y i n g a n d ma p p i n g me t h o d a p p l i e d i n t h e s u r v e y i n g a n d ma p p i n g i n d u s t r y.I t c a n q u i c k l y e s t a b l i s h h i g h-p r e c i s i o n d i g i t a l t e r r a i n mo d e l s,b r e a k i n g t h r o u g h t h e l i mi t a t i o n s o f t r a d i t i o n a l s i n g l e p o i n t me t h o d s,a n d h a s b e e n w i d e l y u s e d i n mi n i n g g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n e n g i n e e r i n g.I t h a s s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s i n s u r v e y i n g a n d ma p p i n g q u a l i t y a n d w o r k e f f i c i e n c y.T h e r e f o r e,t h e a r t i c l e d i s c u s s e s t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d c u r r e n t s t a t u s o f t h e 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 i n mi n i n g g e o l o g i c a l s u r v e y i n g a n d ma p p i n g e n g i n e e r i n g,p r o v i d i n g t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r p r a c t i t i o n e r s.Keywords:mi n i n g;G e o l o g i c a l 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收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：陈国忠，男，生于1 9 8 2 年，福建莆田人，本科，地质测绘工程师，研究方向：测绘。三维激光扫描是通过对被测对象进行连续、全方位的坐标探测，利用激光单色性、方向性、相干性等特点，将激光引入到测绘设备中，通过这种技术可以迅速地获得被测目标的空间信息，进而精确地建立被测对象的三维模型。为了提高矿山地质工程施工的质量，必须对相应的地质状况进行准确测绘，传统的地质测绘方法需要大量的人力、物力资源，而且测绘过程繁琐、效率不高，很难适应目前的工程建设需要。因此，三维激光扫描技术被广泛地应用于地质测绘领域。提高了测绘工作的效率和质量，为现代化的工程建设提供基础数据支撑。1 三维激光扫描技术概述（1）技术原理。三维激光扫描（3D Laser Scanning）技术是近二三十年才发展起来的一种新的测绘技术。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速建立被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据1。另外，结合其他工程软件和各领域的专业应用软件，它所采集点云数据还可进行各种后处理应用。由于三维激光扫描能够完整、准确、精细的刻画目标物体，因此三维激光扫描技术又被称作“高清晰测绘（High Definition Surveying）”。利用激光进行距离测绘已有近四十年的历史，而自动控制技术的发展使得三维激光扫描成为现实，实现了从传统的测距仪、全站仪的单点测绘发展到目前三维激光扫描技术的线、面测绘或者说立体测绘阶段。三维激光扫描系统技术的应用包含两个方面的重点内容，一个是如何获取高精度的点云（Point Cloud）数据；另一个是如何对获取的点云数据进行后期的处理和分析，以提取所需要的信息。（2）技术优势。一方面三维激光扫描仪具有快速、主动、数字化的特点；另一方面三维激光技术具有非接触性等优点，与常规的单坐标测绘技术相比较，其优越性表现在非接触测绘、动态测绘和数据采样速率高三个层面上。第一，在无接触的情况下，矿山地质测绘工程所处的场地条件比较复杂，采用传统方式测绘难度比较大，而采用激光技术进行测绘时，利用技术上的非接触性，使测绘者能够在一定距离控制激光扫描器发出激光回波，从而获得目标的数据，数据的获取所受到的空间限制微乎其微。第二，在运动探测中，利用通信技术与电脑相连，三维激光扫描装置可以实时地将获取的空间位置和目标的表面结构等数据传输到相应的软件中，与此同时，还可进行短期的剖面容积、体积测绘等工作，使得工程具有动态、实时的特点。第三，在取样速度上，取样速度是指每一次取样后，将每一次取样值转化成一个离散的取样数目，也就是每一次取样的数目越多，制图工作的效率越高，而3D型激光扫描仪的取样速度从每秒几千到几万个点位，取样速度比传统的采集方法要快得多。2 矿山测绘分析三维激光扫描仪的最大特点就是精度高、方便、快速，对矿山的各个方面的数据进行快速的处理，从而获得三维数据。三维激光扫描技术的有效运用，极大地缩短了矿山地质测绘的时间，实现了矿山内外三维建模的高效率，与传统的人工测绘技术相比，它更好地体现了矿山的现状，对优化矿山测绘工作具有重要意义2。在矿山开采测绘中，要保证控制点的精确，对矿山的测绘精度进行科学的控制，以保证矿山的测绘结果的准确性。平面控制网是依据矿山规模及现场实际情况，选取不同级别的GNSS控制网作为第一级控制网，然后对各级别的线路进行加密；三维激光扫描应在GNSS点基础上进行测绘，并根世界有色金属2023年8月上38测绘技术Mapping technology据封闭线路进行扫描测绘，以提高平差结果的精确性。矿山测绘技术是一种GNSS技术，它的测绘精度很高，可以实时地采集和更新矿山的数据；该方法不仅可以对矿山的局部进行测绘，而且还可以进行整个矿山的数据采集，以利于矿山测绘信息化建设，使矿山维护、储存、管理等职能不断提高，管理更加科学化。3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用优势（1）高效性。采用三维激光扫描仪可以完成每秒几万、几十万点位数据的采集，对执行环境的要求不高，并不需要做什么繁琐的工作，只需几分钟就能做好前期的准备工作，并能在特定的绘制阶段进行自动绘制，整个绘制工作能够快速完成。另外，在测绘中，工作人员不必与测绘对象进行直接的接触，因此可以大大减少初期的准备工作。（2）便利性。目前使用较为普遍的3D型激光扫描仪，可以自动地进行资料的采集，并可由无线或有线网路进行，减少了无效的作业，极大地提高了矿山测绘工作的质量。4 扫描时的注意事项（1）目标区域属性的设置。点云数据的质量受靶区特征的影响。在扫描开始的时候，需要人工地用扫描器的控制软件来画出一个区域，这时，扫描器到被扫描物体的平均距离（即，距离）和取样保证间隔时间。测绘距离太大或取样间隔太短，会造成扫描时间太长、资料密度太高，造成资料冗余，如果距离太短，或者取样间隔太大，就会造成资料的稀疏，造成扫描的不完整，或者造成资料的错误，通常情况下，系统会自动计算出一段距离，然后再进行人工调整，并根据数据的准确性，选择合适的间隔3。（2）扫描仪视角的选取。因为它是用激光来获得点云的位置，因此，角度愈近，激光击中目标的概率愈低，得到的点云资料愈不完整。视点的定位应从扫描中心开始，可视角度为度。（3）标志物的选取。采用后处理技术对点云进行重构，在扫描区中设置标记，以保证测绘结果的准确性和速度。通常采用的是标靶，标靶采用的是一种特殊材料制作，基座上安装了一块磁性材料，可以很容易地将其吸附在任何的金属上。其他的定标也可以按照现场的具体情况而选用，例如纸张标记，或者是带有水的特殊容器。在两个不同的视角下，必须有三个以上的共同的标靶，或有更容易辨认的共同的标记物，如果有三个以上的标记物，它们就无法在一条线上。（4）扫描环境的影响。为保证扫描仪安全高效地完成扫描的工作，必须在最适宜的温度、平滑的条件下进行。由于扫描是通过有源的激光来完成的，因此，通常情况下，光线并不会干扰扫描的结果，但是会对图像造成一定的影响。在对矿山进行扫描时，由于在背光条件下，采集的影像不清楚，造成了很大的不便。为了融合时，应尽可能地将光照因素纳入到立体纹理贴图中。此外，在下雨天和下雪期间，尽量避免在室外作业，由于大量的水蒸气将会形成较多的噪声，从而增加后期的处理工作，而且还会引发主机和扫描器的进水等问题，导致经济损失。（5）坐标系的选取。三维激光扫描系统使用的坐标系统是扫描本身。在相同的场景中，尽管工作者从多个视角进行的扫描，但是当扫描器静止时，所有的扫描器都能利用自身的软件来修正相同的位置，便于后期加工进行视图融合时的拼接等运算，以确保其重建的准确性。5 三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用由于矿山测绘工程项目的隐蔽性极强，并且自身具有一定的不确定性，属于危险性的矿山测绘工程，在整个测绘的过程当中非常容易受到地下矿井许多因素的影响，从而限制了井下测绘数据的准确性以及真实性和有效性。伴随着三维激光扫描技术的不断发展以及在矿山测绘当中的广泛应用，成功地推动了三维激光扫描技术在矿山测绘工作当中的实际运用。在矿山测绘的过程当中，就使用了三维激光扫描技术，分别对现场勘测扫描实施来获取相关的信息数据，同时也配合云数据进行处理，点云数据处理以及数据建模和三维模型的建立等，实现对于矿山情况的实景测绘，以此来保证井下数据的可靠性。比如，在矿山中使用三维激光扫描技术对井下情况进行有效的测绘，在数据采集到相应的成果分析时，发现三维激光扫描技术可以实地测绘矿山情况，并且可以有效预防井下安全事故的发生，提高井下工作人员的生命安全等级，保障矿山开采的效益。5.1 三维激光扫描技术的主要应用领域在矿山测绘中，三维成像技术的应用有三个方面：建立未开发或已开发的矿山三维建模，可直接使用矿区地面点数据云图建立未开发矿区的三维建模，其流程相对简单。地下矿山模型的建立是一个复杂的过程，首先要对整个矿区进行扫描，在此期间，要将三维测绘仪器放置在矿山中，以形成巷道模型，但由于外部环境的制约，该模型的建立速度相对于外界的三维建模而言，效率要低的多。其工作效率低，但是其安全性高，保证了在整个绘图过程中不存在任何安全隐患。采矿量的计算，多用于露天开采的环境，而露天矿山的采场与非采场的差异很大，利用激光扫描技术，可以准确地判断出需要挖掘的面积。另外，分时模式的合理使用，可以进行对比观测，可以进一步地确定矿山的测绘时点，具有较高的计算精度，所得结论也可用于生产计划、产量、产能等。对采空区进行清理与保护，采矿活动对环境的损害特别大，特别是采空区，对工人的生命安全构成了极大的威胁。采空区的常规测绘技术很难得到有效地利用，而且存在着巨大的人身安全隐患，而三维激光扫描技术能准确地绘制出采空区，从而有效地消除隐患点，同时还能为采空区的实时监测工作提供技术支持，极大地减少了操作中的安全风险。5.2 三维激光扫描技术的应用要点三维激光扫描技术是运用快速激光扫描，实现对测量目标的持续性、全方位坐标探测，利用该技术能够快速获取测量目标空间信息，可以实现对测量目标物体三维模型的准确构建。三维激光扫描在矿山模型构建中的主要应用场景有如下三类：一是待采或开采中矿区的三维模型构建。其中待采矿区三维模型的建立较为简单，直接采用矿区地表点位数据云构建模型即可；开采中矿区三维模型的建立需要在矿区内进行扫描，实际扫描过程中需要在矿区巷道内设置三维测量设备，构建巷道模型，相对于传统巷道测量技术在效率和安全性上都有较大优势。二是矿区开挖体积计算。该类应用主要出现在露天开采工作条件下，露天开采矿区的开采位置和非2023年8月上 世界有色金属39测绘技术Mapping technology开采位置物质有一定差异，采用激光扫描技术可以识别区域特征，可以大致确定需开挖体积。另外，采用分时模型对比和叠加观察，可以进一步确定矿山开采至最后测量时间点的已开挖体积，计算精度较高，所得结果可用于矿山开采规划、产能和产量分析等。三是采空区整理和防护。矿山开采本质上是对自然环境的破坏，其中危害最大的是采空区，采空区会对作业人员安全造成较大风险。而传统测绘技术在采空区测量中的难度较高，也较易发生人身安全风险，利用三维激光扫描技术可消除此类障碍，实现对采空区的精准测量，也能够为采空区实施监测提供技术支持，大幅降低作业安全风险。5.3 矿区管理的三维立体化（1）矿区地表三维模型的建立。三维激光扫描仪能够为建立矿区地面三维建模、扫描相关设施、获取点云的精确信息、构建三维模型的目的。利用专用软件对不同的模型进行分析，为矿山的管理工作提供了可靠的数据，对管理工作具有重要的指导意义4。此外，该系统还可以在已建立的模型中科学地使用索引目录，仅需使用目录索访问相关接口，提高矿山管理的信息化水平。（2）直观展现矿区地下巷道情况。采用三维激光扫描仪可以采集整个矿山的全部资料，并对细微的异常进行精确的扫描。然后获得点云的详细资料，并将其建模为三维建模，将矿山的实际状况如实地显示在现实中。同时，该系统能够对矿山的真实工作状况进行及时的了解，使矿山的地下通道真实地呈现出来。利用该技术可以对隧道的设施、设备进行扫描，形成相应的建模，对现场的实际状况有一个较好的认识。它还可以与通信装置联合起来，保证对特定资料的及时掌握和理解。根据隧道的建模，可以实现三维空间内的人的位置，了解工作人员的工作进程，并据此来判断相应的监控装置，只要出现问题，就能自动预警，使监控工作可视、立体。5.4 三维激光扫描技术在矿山地质测绘中的应用流程（1）地质数据采集。首先，在资料收集阶段，应对测区进行前期调查，并按实际条件设置若干测区，并进行适当的选址；对各站点进行严密的监控，确保各站点之间的间隔和站点的数目合理，尽量减少站点选址和站点数目的不足而引起采集精度的降低。激光测距法可以采用脉冲测距法、激光三角法、相位测距法，通常采用脉冲测距法，将激光测距法的取样速度控制在每秒几千个点位，在需要的时候采用相位测距法，以提高采样速度。其次，测绘人员在现场安装和调试仪器，依次完成相机调试、三维激光扫描仪安装、计算机联通；设定测绘点参量，尽量在测绘范围内安装3D型激光扫描装置。最后，利用三维激光进行扫描，依据测点密度、聚集密度、扫描器与靶材之间的距离，对扫描器的扫描时间进行适当的选取，通常每个站点的扫描时间设置为12分钟。（2）数据处理。在资料加工部分，利用相应的处理软件对采集到的目标进行坐标变换、植被过滤和多站点调整；通过噪声隔离、三角网生成等高线、图像匹配等工作，将采集到的信息输入到已建立的对象建模中，生成具有特殊形式的表面三维数字化，实现了对矿山的地质勘探。尽管该方法具有GNSS的优点，但是测绘的准确率很低，只能显示出大概的方位和位置，还得经过校正，才能将它们调整到合适的位置。采用全波形数字化技术，通过测绘区域表面植物的辐射，获得地表和地下构造的边界信息，有效地解决了植被对测绘结果的影响。多站点的调整，将外部资料输入程式中，并将一些影像进行拼贴，有利于提高图像校正的质量，并能有效地处理图像的拼接问题。在对点云进行降噪、去除的同时，将其分割成DEM的数值模式。在软件中采用三角网格和等高线相结合的方法，实现了用该软件产生的图像更加清晰、准确地描述测区的矿体状况，并克服了点分布不均、扫描密度过大、信息混乱等现实问题。在此基础上，利用GNSS进行精确的数据比对，获得更多的数据，实现对目标进行定量分析、建模、遥感数据分析以及噪声去除等工作。完成对矿区地质资料的编辑，包括空间数据和属性数据编辑，空间实体关系编辑，通过对图廊整饰，邻图接边，等高线和地表目标图的比对等作业，对早期被删掉的等高线进行手工修正，实现了对地图的绘制。（3）测绘成果精度评定。针对矿山地质勘探工程的实际使用，由于仪器设备、人为操作、现场条件等诸多原因，容易造成测绘误差，测绘结果准确性有待提高，制约了三维激光扫描仪的广泛应用，造成一些工程成果不能真实、准确反映测区的地质情况。因此，在使用三维激光扫描仪时，要对测绘结果进行准确的评价，并对测绘结果中的错误进行及时的处理，而精度评估的内容主要有平面绝对位置，平面相对位置和地形图的精确性。第一，在对平面的绝对位置进行精确评估时，必须采用特征点匹配和抽取方法，通过软件实现点云分割，然后，利用鲁棒迭代方法对点云进行了近邻点提取和匹配。第二，评估平面的相对定位准确度，进行点云分割运算，并将点云和地图的边界和距离进行对比，根据比较的成果进行中误差的测算，根据计算的成果判定工程的相对定位精度能否满足工程的测绘需求。第三，地形图的地理精度评价，通过人机交互检查、地形图地图点云资料比对等工作，并逐一进行各方面的检查和比较，以确定地形图中的地理元素和标志的使用偏离程度等指标，以判断地形图空间的准确性，对不合格部分的重新修改，例如更改地理标志。6 结语总之，为了克服常规测绘技术存在的缺陷，更好地实现矿山地质测绘工作，从而使测绘工作的整体水平和工作效率得到了较大的提升。为此，各测绘机构应该加强对三维激光扫描仪的研究，对其原理、优势和操作过程进行更深层次的了解，并构建完整的3D激光扫描仪的应用系统，促进矿山事业稳定发展。1薛成永.三维激光扫描技术在地质测绘中的应用J.工程技术研究,2020,5(13).2薛懋,王霄.论三维激光扫描技术在地质测绘中的应用J.世界有色金属,2019(10).3周瑾钰,王海顺.基于三维激光扫描技术的矿山地质工程精度检测应用研究J.世界有色金属,2019(11).4贾玉安,卢安毅.对基于矿山地质测绘的三维激光扫描技术的探讨J.世界有色金属,2019(09).