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三维激光技术在矿山测量中的综合应用

2018 / 12 / 14
矿山测量在矿山建设和采矿过程中,为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理以及矿山报废等进行的测绘工作。
三维激光扫描技术以高密度、高精度和高效率的测量手段,实现矿山生产过程中地形测图、堆体体积计算、矿区沉降观测等工作,是实现矿山高效、精细化生产的有效保障。
传统方法运用到的仪器主要有:GPS、全站仪、水准仪等。可以测量到比较精确的点位位移,但观测点过少、观测时间过长,无法实施整体监测。传统方式一般采用免棱镜全站仪观测滑坡体局部特征点,只能采集单点数据,数据量非常有限,不能很好的对滑坡做好勘查、监测工作。若采用无人机通过倾斜摄影测量来进行数据采集,但是精度并不是很理想,同样无法满足要求。
采用三维激光扫描仪对厂房和矿山进行数据采集,使用配套软件生产加工完成1:500地形图、堆体体积计算、以及滑坡区域对周边区域预警分析等成果,并将采集处理成果和传统RTK测量方式获得的结果进行比对。数据显示,无论在精度,还是在采集处理效率方面,均获得让人满意的效果。
一.总体技术路线

图1:技术路线图
二.设备及配套软件
使用设备为HS系列高精度三维激光扫描仪,该设备为脉冲式地面三维激光扫描设备,非常适合地形测绘、矿山测量等大场景区域测量应用。

图2:HS系列高精度三维激光扫描仪
硬件部分:设备具有5mm测量精度,最远测距可达1200m,整机具备IP64防护等级,可连续使用4H以上,内置240G固态硬盘,此次作业主要采集航道区域的点云及全景等特点;
软件部分:配套软件具备点云预处理,全景与点云配准着色、点云分类滤波、进行测图,提取矢量要素、体积计算、预警分析等功能。
三.作业流
1.现场环境
现场环境为北方某露天矿坑,常年风沙巨大,车辆运输较为频繁。

图3:现场环境边坡
2.外业数据采集
设置扫描参数对外业环境进行数据采集,通过对标配靶标精确扫描,并采用后视定向的方式获取绝对坐标位置。

图4:现场环境靶标坐标提取
3.坐标转换
(1)精扫三个标靶后,提取标靶点中心位置,进行三坐标七参数转换。

图5:坐标转换图
(2)可通过RTK连接组件进行后视定位定向方式转换坐标:
将外业RTK数据通过固定参数转换为扫描仪相位中心点作为定位点,将后视定向靶标通过固定参数转换为标靶中心点作为定向点。
4.内业数据处理
工程数据内业处理基本步骤:
1.使用HD 3LS Scene软件进行点云预处理,全景与点云配准着色,点云分类滤波;
2.使用HD PtCloud Vector(For AutoCAD&ArcGIS)进行测图,提取矢量要素;
3.生产DEM、DWG及滑坡区域预警分析;
5.数据成果
处理成果包括矿山点云、矿山数字高程模型、矿山数字线划图等。

图6:矿山整体点云图

图7:矿山数字高程模型图 

图8:矿山数字线划图
6.确定边界范围
由于需要确定滑坡边界位置,结合地质资料确定地层岩性从而判断地质结构应力,并反演不同应力结构下的地层可能滑坡的整体方量、坡度角度及下滑的可能位置。 

图9:边界及钻孔位置坐标点

图10:边界范围模型

图11:边坡彩色点云侧面图
7.滑坡量计算

图12:边界线构网 

图13:总面积与总体积
四.小结
三维激光扫描技术可以将矿山的所有实景信息复制到计算机,大大提高了测量效率、节约了人力物力、缩短了周期,并且可以转换为计算机可以浏览和分析的高密度数字化信息,从而实现数字矿山的精准管理;
根据三维激光扫描技术不仅可以获取的三维激光点云数据建立矿山的数字模型,在此模型上可以提取多种高精度、高密度数据信息,例如任意位置长度、距离、体积、面积等;
将多次扫描的数据模型进行叠加分析,可精确地计算出目标的结构形变、位移以及变化关系等,为指导矿山安全生产提供真实可靠的基础数据。

该篇文章转至《测绘通报》2018年11月刊,彭劲松,叶波,李娟,周光明著



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