摘要：三维激光扫描仪为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段，本篇文章细致介绍三维激光扫描仪的功能和工作流程，并分析其在黑岱沟露天煤矿测量中的实际应用。
关键词：三维激光扫描仪；去噪抽稀；提取坡顶底线；建立模型；
Analysis and Application of Three-dimensional Laser Scanner in Heidaigou Open-pit Coal Mine Survey
LUO Teng
(Heidaigou Open-pit Coal Mine，Shenhua Zhungeer Energy Co.，Ltd.，Ordos 010300，Inner Mongolia)
Absrtact：The three-dimensional laser scanner provides a new technical means for quickly establishing the three-dimensional image model of objects.This paper introduces the functions and workflow of the three-dimensional laser scanner in detail，and analyses its practical application in Heidaigou Open-pit Coal Mine Survey.
Key words：three-dimensional laser scanner；denoising and thinning；extracting the bottom line of slope top；establishing model；
露天矿测量是为满足露天采矿工程中各工程及各工程之间的相互空间位置关系所进行的测量工作，包括控制测量、采场验收测量、生产测量、工程测量、矿图绘制与资料管理。传统露天矿测量技术存在测量效率低、开采现场环境复杂测量过程中存在安全隐患、缺乏相关视图数据、存在较多的人为参与因素等。
为此黑岱沟露天煤矿于2014年引进MAPTEKTM I-Site8810三维激光扫描仪，其技术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的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。
图1数据处理后建立的三维模型
1 黑岱沟露天煤矿测量主要任务
1.1外业：
主要测量工作包括采场验收测量、排弃运距测量、排土场测量、边帮滑(移)动监测、储量管理等。
1.2内业：
计算每月的煤、土、岩采剥量、运距以及爬高；
绘制月采剥工程平面图及每月的煤、土、岩运距图等。
2 三维激光扫描仪主要功能
2.1多站点云数据自动拼接
多站数据导入配套软件中实现自动拼接，并可用智能色彩渲染功能，通过不同色彩显示各站扫描点云情况，方便分析每一站的扫描范围及点密度。同时，仪器自带后视望远镜，实现外业采集的远距离后视功能，提高数据采集精度。
2.2可实现大范围远距离测量
矿区测量中，沙尘大，能见度低，被测物体的反射率影响测量距离，反射率越高，测量距离越远，最高可达2100米（一般煤的反射率在10%左右，岩、土的反射率在10%-80%不等）。
2.3同步记录详细测站信息
每一站扫描工作涉及的详细参数（测量的站点、后视点坐标、角度、距离等）信息同时被自动记录，方便在配套后处理软件中随时调用查看。
2.4点云数据的智能过滤和抽稀
可以对矿区点云数据中的粉尘及雪状物、车辆、人员进行智能一键式过滤，并根据实际需要对点云进行抽稀处理。
2.5外业扫描精度高
点云数据自动过滤及建模，提取的特征线精度与RTK单点测量精度平均误差为厘米级。
2.6特征线智能化提取——满足矿区大范围地形测量需求
可快速生成矿区地形图，并对矿区模型实现等高线、坡顶坡底线、碎步点的智能化提取，也可针对需求手动提取特征线。
2.7成果可直接导入CAD软件——满足大面积地形测绘要求
快速为地形测量提供基础点云数据，自动生成等高线并直接导出为CAD文件，测量精度完全满足1：500地形图的测绘要求。
2.8通过三维模型及真实影像，获取边坡变形数据
对危险边坡，定期扫描，通过模型对比，建立边坡位移量彩色图谱；同步采集影像信息贴合位移点云，可更加直观的查看边坡信息。
2.9同步获取实时全景照片
2.10建立矿区三维模型
功能强大的后处理软件可对多站扫描数据实现智能化三维模型的建立，并可在模型基础上提取多种数据成果，建立采区网格现状图。
2.11挖填方量计算——满足矿区开采验收测量需求
后处理软件可根据矿区台阶进行体积计算，以及采区填挖方量等算，同时可进行多边形对不同区域进行约束，满足矿区开采量验收测量需求。
2.12煤岩界线提取
在后期处理时，可以利用照片和点云的色谱强度图，提取岩层分界线，为爆破时进行分层装药提供依据。
3扫描流程
3.1外业操作流程
3.1.1前期准备
1）仪器设备配备
三维激光扫描仪需要和RTK配合使用，根据RTK的坐标点自动匹配计算出扫描数据的坐标点，扫描仪工作时需达到内置罗盘的水平度数5度以内。
2）人员配备
至少由三位测量技术人员组成，考虑到矿山测量现场地表较为复杂，使用三脚架架站测量时至少需要两人搬运设备，使用车载扫描时，一人负责开车，一人负责操作RTK，一人负责操作扫描仪。
3）车辆配备
三维激光扫描仪可以进行车载测量，即使采用三脚架架站测量，换站时需要使用车辆运输设备。
3.2数据采集
3.2.1三脚架架站测量
三维激光扫描仪采用类似全站仪的测量方式，可后视定向，方便数据采集，后期无需拼接，提高数据精度，并节约内业处理数据，在进行露天测量时，可在露天采坑四周采用三脚架架站测量（如图2所示），大致控制露天采坑。
图2三脚架架站扫描
选择架站时建议在露天采坑四周布设扫描仪站点，如果露天采坑面积较大，可在采坑内部布设一定站点，以便扫描数据能覆盖整个矿坑。架设仪器时需要将三脚架架设稳固，保证扫描仪的安全，安放仪器前需要应用三脚基座调平。
3.2.2车载扫描
图3车载扫描
车载扫描时，车辆主要在平盘上行驶，扫描仪内置数字罗盘，为车载扫描提供了可能，扫描站点的选择以多采集数据为准，并且要考虑站点间的距离，一般使用车载扫描时，站点间的距离大概为200m，作业时车辆必须为静止状态。
3.2.3数据采集密度及测量区域
依据不同的测量结果要求，可选择不同的点间距和测量区域，根据不同档位360度扫描对应的数据采集时间。
图4不同档位对应的数据采集时间
4内业操作流程
图5内业处理流程
4.1数据匹配
三维激光扫描仪采用全站仪后视的方式进行测量扫描，测量成果直接为真三维坐标，后期数据处理无需拼接；采用车载扫描的数据，需要对多站数据进行匹配，测量时各站之间至少存在30%的重合度，方便达到就少的拟合效果。
4.2去噪抽稀
4.2.1粉尘过滤
在露天煤矿进行作业时，由于空气中存在大量的粉尘，导致测量成果中存在大量的噪音点，需要在建模前对所有数据进行噪音点去除。
4.2.2过滤设备、人员等噪点
作业时现场设备、人员的数据也会被采集，这些数据并不是我们需要的，在建模前也需要将其过滤去除。
图6设备点云数据处理前后对比
4.3建立模型
数据过滤后，可建立矿坑粗略模型，点云数据中依然存在部分未清理的噪点，模型中会出现尖峰的形状，需要修改模型中存在的问题，通过消峰功能，消除尖峰。然后填充孔洞，把消除的部分从新连接，建立出矿坑精细模型。根据前后两期矿坑模型，对采动范围进行边界约束，查询得到挖方量和填方量。
图7模型消峰对比
4.4提取坡顶底线
坡顶底线的提取有三中方式可以完成：
1软件自动生成：该方法速度快，无需人员干预，生成的坡顶底线较真实，但不美观，需要后期人工美化。
2智能线生成坡顶底线：该方法需要人员干预，生成坡顶线较真实，同样不美观，需要后期人工美化。
3人工画坡顶底线：加入人为因素，虽然速度较慢，但生成的成果既满足要求，又比较美观，后期修改少。
图8提取坡顶底线
4.5采剥量计算
露天煤矿采剥量计算通常包含：采剥量、爆破量、运距、爬高等。部分煤矿黄土及岩石剥离采用外包方式进行，对测量人员算量要求高，三维建模软件可分台阶计算采剥量，很大程度提高了算量效率。根据两期模型及台阶高度，可以很精确计算出每个台阶挖方及填方量。
图9 各台阶填挖方量
4.6测量点导出
扫描仪采集的数据为点云数据密度大，不方便制作二维平面图，通过点抽稀再导出，可导出TXT或CSV等各种格式。
4.7更新现状图
把生成的坡顶底线导出到CAD中，用于更新矿坑现状图。
图10生成坡顶线导入现状图
5三维激光扫描仪在黑岱沟露天煤矿测量中实际应用
黑岱沟露天煤矿每月验收根据采动区域和排土场，对采动区域（排土场）进行扫描建模，把采动区域（排土场）建立新模型与上月原模型进行比对计算出挖方量和填方量，新原模型表面组合建立当月完整矿坑模型，表面组合时采场组合时按照表面最低点进行组合，排土场组合时按照最高点进行组合。提取坡顶底线和高程点（抽稀后），将新的线和点导入上期工程平面图中，根据变动区域进行更新，并用新的扫描点代替原来的扫描点，完成工程平面图的更新。目前黑岱沟露天煤矿验收时采用扫描仪扫描测量整个采坑建模（扫描的采坑面积302万m2），外业扫描时间为21h，扫描站点为76站，内业处理到建立模型用时6h。
三维激光扫描仪测量方式为非接触式，减少测量人员的流动作业，降低了作业安全隐患，露天采场环境比较复杂，不可避免的存在沟壑、散岩台阶等人工无法到达或具有危险性的地方，扫描仪可以360°* 80°（-40°— +40°）扫描测量，完成人工无法到达的地方，当遇到RTK失去信号或因环境因素无法保证扫描仪水平的情况时，扫描仪同样可以工作，旋转本站与之前的扫描数据重合度达到30%即可匹配到一起。扫描仪提取坡顶底线更接近实际采场情况，扫描仪数据点间距为2cm，算量也更加准确。
三维激光扫描仪在黑岱沟露天煤矿中的其他应用：扫描架空线路、矿用卡车实际载量（排弃后对物料堆进行扫描）、护坡面积扫描、吊斗铲倒堆量扫描等人工测量无法完成的工作。
6结语
通过应用三维扫描仪扫仪的应用，其快捷、精确的作业方式为黑岱沟露天煤矿在采剥量验收外业工作效率提升32%，减少了测量人员的流动作业，降低了作业安全隐患，内业对采剥量计算精度提高了0.5%，抛掷爆破倒堆量的计算精度提高了1%，形成建立一块三维模型提取多种数据成果的模式。有效降低了成本和劳动力，提高测量工作效率。
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作者简介：
罗 腾（1988-），男，助理工程师，学士，2014年毕业于太原理工大学测绘工程专业，现任神华黑岱沟露天煤矿，主要从事露天测量工作。Tel：15661941517，E-mail：252826703@qq.com
论文作者:罗腾
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：测量论文; 扫描仪论文; 露天论文; 模型论文; 数据论文; 激光论文; 煤矿论文; 《基层建设》2019年第21期论文;