三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用
杨华祥+张坤梅
摘要：露天矿的测量可以使管理者更好地了解矿区的开采情况和资源的储量，是管理者做出相应决策的重要依据，因此保证露天矿测量的精度具有十分重要的意义。传统的测量方式因为需要人工进行采点，测量速度慢、精确度不高，并且具有一定的安全隐患，使用三维激光扫描技术则可以很好地解决传统测量方式中遇到的问题。本文主要阐述相比较传统的测量方式三维激光扫描技术的优势，并通过具体实例进行验证。
关键词：三维激光；扫描技术；露天矿测量
露天矿测量的主要任务是矿山储量的测量，测量结果对管理者对于矿区的监管具有重要意义。传统露天矿测量方式具有一定的缺陷，不能够准确地反映出露天矿的真实开采情况，并且需要消耗大量的人力物力。而采用三维激光扫描技术则可以提高露天矿测量的精度，测量时间也大幅缩短，能够给管理者提供更加直观准确的测量数据。
一、露天矿测量的概念和主要目的
露天矿测量指在露天矿的设计及开采阶段，为指导和监督露天矿的开采和剥离所进行的一系列的测量。露天矿测量的工作内容主要有： 建立矿区基础测量控制网和进行矿区的地形测量、采场测量、线路测量等地质测量，对露天矿的边坡稳定性进行观测，计算矿区的矿体体积，检验地质测量成果，计算矿区储量以及绘制测量图和编制年报等。
矿山储量地质测量是露天矿测量的主要目的。矿山储量地质测量是以矿山占用资源储量登记依据的矿产勘查报告或储量核算报告和上年度矿山储量年报为基础，运用矿山测量和矿山地质编录、矿山采样测试等技术手段，通过矿山地质资料整理，估算矿山本年度的开采量、损失量以及资源储量增减量，编制矿山储量年度报告，对矿山本年度保有资源储量进行年度结算[1]。
二、传统露天矿测量方法的缺点
（一）测量精度较低
传统的地质测量方式是在要测量的矿区范围内，选取一些地形特征点，间隔一定距离来进行数据采集，之后根据这些选取的点进行矿体计算，因此，传统地质测量结果的准确性主要取决于所选取的点的数量、位置和选择的计算模型。对于比较平坦的矿山开采面来说立尺点的位置和数量有一定的保证，测量结果相对来说比较准确。但由于矿山在开采时会在开采面形成许多不规则的曲面，尤其对于露天矿，开采面比较复杂，许多地方作业人员基本无法达到，因此立尺点的位置和数量便不能得到满足，由于采点之间的距离相对较大，测量结果的精确度便会降低。
根据 《地质矿产勘查测量规范》（ GB/T18341—2001） 的技术要求，剖面点的高程中误差不得超过 1/3 等高距[2]。传统的地质测量技术很难达到这样的精度要求，从实际测量工作来看，许多矿山的储量测量都需要结合多种指标如炸药的用量等来进行多次核算，由于传统地质测量技术精确度不高，已经严重影响了矿山储量的可信度。
（二）测量速度较慢
传统的地质测量方式需要人工进行立尺点的确定和测量，在投入人手充足的情况下，一个工作小组在一个工作日一般只能够测量一个矿山，再加上必须的准备工作和数据测算，一般完成一个矿山的测量工作便需要两天，而矿山储量的动态监管时效性很强，短时期内便需要再次进行测量。因此使用传统的地质测量方式由于测量速度较慢，需要投入大量的人力物力。
（三）存在安全隐患
矿山表面的地质条件复杂，常有山体滑坡、坠岩等情况发生，传统的测量技术由于需要测量人员至各个地区采点，便需要测量人员在陡坡、悬崖峭壁上进行采点测量，具有一定的危险性。
（四）直观性较差
传统的地质测量方式只能够提供测量数据，并没有直观的矿山图像，管理者只能根据数据进行矿山储量的判断，无法直观地了解矿区的开采状况。
三、三维激光扫描技术的原理和特点
三维激光扫描技术是指一项基于高密度点云数据进行体积测量计算的技术，使用依据三维激光扫描技术制作的仪器，可以十分快速地对矿区进行扫描测量，测量精度较高，并且可以提供全景影像图片，从而达到数据、图像和矿山开采状态的一致。
（一）三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪器一般包括扫描仪、控制系统和供电系统三部分。扫描仪向外发射激光脉冲，在接触到物体后，激光脉冲被反射回扫描仪，根据激光脉冲从发出到被返回扫描仪的时间来计算物体距离，扫描仪将获得的物体信息进行处理并自动进行存储和计算，最终获得点云数据。最终，使用编码器根据扫描仪的旋转角度，计算并获得每个点的三维坐标值，从而生成三维图像，最终生成精确的数字模型。
（二）三维激光扫描技术的特点
相比较传统的地质测量方式，三维激光扫描技术能够快速获得测量数据并提供精确完成的矿区图像，具有如下特点：
1、无需与矿山实际接触。三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，不再需要测量人员亲自至矿山进行采点测量，对于比较危险、测量人员不容易接近的情况，利用三维激光扫描技术便可以轻松进行测量。
2、數据采样率高。测量结果的准确性依赖于采点的位置和数量，使用传统的测量方法，点的数量选取有限，而采用三维激光扫描仪器的采样点速率可达每秒数万点至数十万点，是传统测量方法完全无法比拟的。
3、分辨率和精度较高。三维激光扫描技术可以快速、精确地获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的[3]。
4、数字化采集，兼容性比较好。三维激光扫描技术所采集的数据是通过仪器直接获取的数字信号，方便后期进行处理及输出。其数据的后续处理软件能够与其他的常用软件进行共享和数据交换，兼容性比较好。
四、三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用
在对老君山南麓矿区进行地质测量时，拟对传统的测量方式和三维激光扫描技术进行比较。
（一）老君山南麓矿区的基本情况
老君山南麓是正在开采的曼家寨矿段，矿区位于滇东南坳褶断带，包含在南褶皱系西南缘内，老君山起止点为文山与马关隆起南部的复式背斜，该区域分布大量变质岩，地质结构较为复杂，地底岩浆处于剧烈活动状态，广泛分布着矿物资源，分别为锌、锡以及钨等。长期作用下形成区域性构造格局，与此同时形成多种不同地形，包括纵向断裂、复式背斜轴波状褶曲等。褶曲：例如由南到北方向，铜街至曼家寨之间的背斜为一种典型的宽缓型褶皱，总长度为5千米；铜街～曼家寨背斜为宽缓型褶皺，大致呈南北向，长约5km，轴向为北偏东5°至北偏东20°度，背斜倾斜方向为南，褶皱轴南部低，北部高。断层：F0断层出露于曼家寨矿段东部，走向N5°E～N8°W，倾向西，倾角40°～55°；F1断层出露于曼家寨矿段中部，走向SN～NNE～NNW，倾向西，倾角15°～30°。
（二）两种测量方式的比较
由于老君山南麓矿业表面褶皱和断层较多的地质特点，使用传统的测量技术在采点上便存在一定的困难，计算的精度也较低，而相较传统的测量技术，三维激光扫描技术则大大提高了露天矿储量测量的精度，能够获得真实准确客观的数据。由于老君山南麓矿区地表结构复杂，使用人工测量存在极大的风险隐患，而使用三维激光扫描技术则很好地解决了这一问题，且节省了人工和时间。另外，三维激光扫描技术还可以提供高清的立体图像，可以更加直观地反应出了矿区开采的真实情况。因此，三维激光扫描技术明显优于传统的测量技术。
总结：相比较传统的测量技术，三维激光扫描技术在不接触矿区的情况下便可以进行测量，采点的数量大幅度提高，因此可以获得更加准确的数据。由于不需要测量人员亲自采点，节省了人工和时间，也减少了测量人员的安全隐患。三维激光扫描技术还可以提供直观的三维图像，准确反映矿区的现状。基于三维激光扫描技术的种种优势，必将在露天矿测量中广泛应用。
参考文献
[1]刘建坡；李军杰；黄继永.三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用.科技信息（科学教研） ，2008（22）：647-648.
[2]刘红旗；项鑫；李军杰.三维激光扫描原理及其在露天矿测量中的应用.科技资讯，2009（3）：7-8.
[3]张金福.三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用分析.门窗，2014（11）：423-424.
[4]雷朝锋.基于三维激光扫描技术在豫北露天矿测量中的应用研究.测绘与空间地理信息，2014，37（8）：96-98.
