三维激光扫描技术在矿山尾矿库安全监测中应用

106矿产安全
M ineral safety
三维激光扫描技术在矿山尾矿库安全监测中应用
黄银俊
（广东有色工程勘察设计院，广东　广州　５１００８０）
摘 要：
针对金属尾矿库的主要危害因素，提出了采用激光三维成像技术对金属尾矿库进行安全监控的方法，并将其用于对金属尾矿库进行安全监控，使各单位和各单位能够及时了解与其有关的技术参数；为及时了解金属尾矿库的安全和使用情况，对改善其安全性、保证上游生产、保护和保护人民的人身、财产、安全、防止金属尾矿库事故对生态环境的影响，研究成果显示，３ｄ激光扫描仪在尾矿库重大危险源监控中的应用。

关键词：
三维激光扫描；矿山尾矿库；安全监测中图分类号：ＴＤ９２６．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）１５－０１０６－３Application of 3D Laser Scanning Technology in Safety Monitoring of Mine Tailings Ponds
HUANG Yin-jun
（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１００８０，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｉｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｈａｚａｒｄｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｓｔｏｒａｇｅ，　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｓｔｏｒａｇｅ，　ｓｏ　ｔｈａｔ　ａｌｌ　ｕｎｉｔｓ　ａｎｄ　ｕｎｉｔｓ　ｃａｎ　ｔｉｍｅｌｙ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｉｔ；　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｉｍｅｌｙ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｐｏｎｄｓ，　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅｉｒ　ｓａｆｅｔｙ，　ｅｎｓｕｒｅ　ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，　ｐｒｏｔｅｃｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ　ｌｉｖｅｓ，　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ，　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｐｏｎｄ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｅｒｓ　ｉｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｍａｊｏｒ　ｈａｚａｒｄｓ　ｉｎ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｐｏｎｄｓ．Keywords:　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ；　Ｍｉｎｅ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｐｏｎｄ；　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
收稿日期：
２０２３－０５作者简介：
黄银俊，男，生于１９８９年，广东汕尾人，本科，工程师，研究方向：工程测量，变形监测和测量质量管理。

金属尾矿库的安全监控，是提高金属尾矿库的安全管理水平，掌握金属尾矿库生产的安全状况，降低金属尾矿库生产事故的发生率。

目前在国内，大坝的变形、水位、浸润线等关键技术指标都是人工、常规设备到工地进行，不仅工作量大，而且受天气和人工影响；由于受多种环境的影响，造成了一些人为的、系统性的错误。

利用激光三维成像技术对尾矿库进行安全监控，使各单位和安全管理机构能够实时了解与其安全有关的各项技术参数，并能实时了解其安全状况，从而达到改善其安全性的目的。

确保水库上游生产和居民的生命和财产的安全，防止由于金属尾矿库的意外而对环境的破坏，维护生态。

1 三维激光扫描技术
三维激光扫描器的问世，标志着3D 激光扫描器的问世，也有人称之为“3D 激光扫描器”，这是自GPS 技术之后，在绘图上的另一项技术革新。

三维激光扫描仪是一种全新的、高精密的、自动化的、高精密的立体扫描技术，也被称作“现场再现技术”。

以往的GPS、三角网等常规的测量手段都是以点为基础，而三维激光则是以平面为基础进行数据的获取，通过三维激光扫描得到的点云资料是最基本的，点云资料是由许多分散的点的集合体组成，三维激光扫描仪具有实时性、主动性和适应性强等优点，三维激光扫描仪的数据只需要简单地处理即可，不需要繁琐的后处理时间和精力，它
不需要与被测试对象直接碰触，适用于许多较复杂的场合，
它能与GPS 等结合，实现更强大的、更广泛的用途。

三维激光扫描仪用于金属尾矿库的安全监测与监视，其优势在于实时对海量的点云资料进行瞬间扫描、1∶1的3D 场景复制，高取样率，精细地描绘物体，利用三维点云的三维空间几何特征，采集点数较多，建立了一个以三元点云为基础的空间几何空间，可以有效地克服以前由变形观测资料得出的局部、局部现象，无接触，采集数据，利用有源激光采集技术，无需对协作目标进行测量，可对保护对象，危险区域，或无法探测的区域进行检测，周期短，易于进行动力分析，并能在较短的时间内获得海量的资料，方便了工程的动力分析和预测，迅速为政策制定者们做出贡献，全天的测量，三维的激光扫描系统可以全天不间断地进行，无需照明，而常规的测量方式需要在白昼和光线比较好的环境下进行，三维激光扫描仪可以将各种实物和场景的三维信息全部收集到计算机中，从而迅速重建被测量对象的立体模型以及各种线、面、体等图像，得到的点云资料是真实的实体大小还原，与高清晰度数字摄像机配合使用，能真正保存目标的颜色和质感。

2 三维激光扫描技术在尾矿库安全监测的重要性
三维激光扫描技术在欧美大多数地区的道路、隧道和高层建筑中得到广泛应用。

矿山安全监测技术是矿山安全监测的重要技术，许多国外都把它用于公路、隧道和高层建筑；矿山工程质量监控的强制措施。

三维激光测控技术是金属尾矿库安全监测与监控系统的前沿和亮点。

信息海量、自动化、便捷等显著优点。

根据金属尾矿库工作环境的复杂性，对监控精度要求、点云数据采集、误差要求等问题，提出了一种监控技术，利用三维激光技术实现了金属尾矿库的实时
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监控，为金属尾矿库周边环境、坝体位移、沉降等提供了科学、精确的数据，并能实时了解金属尾矿库重要位置位移等情况的趋势，对提高金属尾矿库危险源的安全性，保障金属尾矿库周边企业正常运行及库区人民群众的生命财产安全；防止金属尾矿库安全生产对环境的影响，对保护生态、科学研究都有着重大的实际意义。

3 三维激光扫描仪在尾矿库应用的优势
在尾矿库的测量中，采用三维激光扫描技术，采用非接触式的方式，可以快速、准确地获得被测对象的面点的三维坐标，并利用CAD、CAM等三维建模软件，实现点云的绘制。

因此，三维激光扫描技术相对于传统的测点法有如下优点。

第一，无接触的优点，即三维激光扫描器在不接触目标表面、不使用反射镜的情况下，就能获得目标表面的三维坐标。

这样，哪怕是在最深处，在遇到灵活的物体时，也能准确地获得对方的三维坐标，数据的完整性，可靠性和真实性都得到了保障。

第二，可以获得更多的数据，即为三维的激光扫描设备，可以在一秒钟内采集到几十万个点的数据，同时还能绘制出大范围的目标的空间信息，同时也能快速地收集和获得有关的资料。

第三，它具有一定的实时性、主动性和动态特性，也就是说，不需要任何外界的光源，就能自动地发送相关的信号，只要检测到发射的激光的回声，就能获得目标的基本信息。

因此，3D激光扫描器能够24小时连续进行实时的实时采集，无需时空的约束，可以在任意时刻实时采集目标的三维数据。

第四，它的穿透力很强，也就是说，三维激光扫描仪的取样间距很小，采样密度很大，即使在植物阻挡的情况下，只要植物不太密集，也能穿透植物，对物体进行扫描。

因此，点云可以包括物体的各个层次的几何信息。

第五，高精度，高密度，也就是说，利用点阵和格网三种不同的数据采集方式，可以实现三维激光扫描。

同时，该系统还具有全自动自适应距离调焦功能，确保了点云数据的一致性和准确性。

第六，结合GPS和外部数字摄像机，扩大了三维激光扫描的应用领域，提高了采集数据的精确度和完整性。

特别是外部的数字摄像机，能够获取目标的色彩，使目标更加真实、全面。

而GPS技术测试则能进一步拓展三维激光扫描的使用领域，确保测量结果的精确度。

4 三维激光扫描数据获取
针对不同类型的矿场，根据不同的监控需求，采用了三维激光扫描，其中包含了相位和脉动三次面的激光扫描仪，所以必须对各类激光扫描仪的资料采集、数据的加工、数据的融合等进行深入的分析，由此得出了一种适用于尾矿库的激光扫描三维测量技术。

4.1 现场踏勘与定点
当采用三维激光扫描时，这种装置的扫频半径超过1000m，而且一般都是400m的长程，所以在进行尾矿库的三维激光扫描仪时，必须从多个观测站的视角对尾矿库进行测量，对水体和周围进行了全面的检查。

在进行扫描之前，要对项目的需求及特定条件进行详细的分析，从而决定出最佳的扫描计划。

要明确扫描的范围，然后再根据手中的仪器种类来选择扫描点的位置，要保证扫描仪能够涵盖坝体、水域、泄洪系统以及下游等关键部位。

在GPS或全站仪的协助下，在进行观测时，要利用现有的控制点来实现位置与位置的变换。

4.2 扫描实施
扫描方案确定后，就可以进行具体地扫描，在预定的扫描点安装3-D激光扫描器，安装扫描器时要把扫描器的高度正确，高度可以防止扫描设备被周围的物体挡住，可以防止激光扫描角度太低，导致扫描精度降低。

利用三维激光扫描器扫描目标时，要在扫描器的视场内选择要扫描的对象，这样可以极大地缩短扫描时间，从而提高工作效率，当采用立体激光扫描器进行扫描时，就能实现全景的扫描。

点云密度与激光点点间距有关，对于有详细资料的建筑物，宜选用1cm的激光点位间距，墙面光滑处宜选用2cm 或更大间距。

此外，在扫描区附近的人群也会造成噪声，因此，在扫过之后，要对点云进行观测，以决定是否要进行再扫或再扫。

扫描结束后，还需要拍摄被扫描的区域，获得颜色和纹理的信息。

如果扫描设备本身的像素过低，无法达到贴图的要求，则使用高像素的数字照相机进行人工的拍摄。

图片可以用作本地区模型后的贴图，也可以用于多站点的拼接。

4.3 点云数据处理与建模
云的预处理：在扫描时，由于外部环境的干扰，例如车辆、行人、树木等，以及物体自身的非均一的反光，必须对点云进行滤波，以排除点云中的不稳定和误差。

在实践中，必须根据该流程的特点，选取适当的滤波算法，以实现该流程的自动化。

点云拼接：从不同的扫描点采集到的资料，必须把这些资料合并成一个整体的坐标系统。

在相位三维激光扫描中，一般采用目标的拼接和点云的特征点进行匹配，通过对目标进行的点云的匹配，实现对目标的定位，而对缺少或未完成目标的点云，则采用共用的方法，找到具有相同名称的点云，并进行成对匹配。

点云的特征点为成对，为了把点云全部转化成统一的控制网坐标系统，再用控制点对齐方法进行点云匹配，并对每一组进行匹配，这就需要一个节点是在控制网的坐标系统下建立的点云。

在拼接完毕后，可以通过软件进行拼接，每个点云之间的拼接准确度小于5mm为最佳。

三维激光扫描的资料拼接技术有两种，即采用点阵与后视点的坐标和点云相结合。

构建一个立体的模型。

对点云进行扫描和拼接，得到了大量的离散空间信息，然后根据这些信息建立了一个立体的模型。

首先采用Geomagic、Polyworx、I Sitestudio等反向工程技术对点云进行分析，得到DTM的模型，再依据DTM模式提取参数、绘制地形图等工作。

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4.4 点云的漏洞修复
点云因其自身的离散化特性，使得其具有某些缺点，因此，必须通过对其进行修正，调整等操作，以获得精确的物理模型。

现有的网格修复工作很难做到完全自动化，因为矿山的外形是多种多样的。

4.5 维激光测量精度控制
为有效地控制三维激光扫描器的测量精度，在对三维激光扫描仪的试验结果、工程测量和重要危险源的监控需求的基础上，提出了一种三维激光扫描的方法：现场数据采集时，必须保证三向激光扫描机与靶面之间的横向间隔不大于20m，以确保三维激光扫描系统的直线误差和点云密度都在1.5mm以内，而且角精度误差减小。

必须确保点云中点云的分辨率不超过20mm；三维激光扫描仪中所有的控制点都要用到，全站仪可以对控制点进行测量，并采取多次测量方法，确保误差在1.5mm以内，从而减少了全站仪控点的测量误差和人工操作的误差；在野外采集资料时，尽量避免在雨雪、强烈日照等条件下作业，以降低因环境因素而产生的噪音误差；三维激光扫描仪在进行数据处理时，当分辨率要求降低时，必须确保点云的分辨率不超过20mm；在三维激光扫描数据的拼接过程中，要尽可能地利用软件来实现目标中心的自动识别。

利用数据拼接软件对三维激光扫描数据进行标准偏差的自动计算，任何控制点的标准差都不能超过3mm。

5 金属尾矿库安全监测
5.1 矿山形变监测
研究区坐落在米易县东北部，是四川省的一个重要的区域。

库区南部距离选矿厂1.5公里，库容3.26亿立方米，最后堆高1720m，大坝高度325m。

水库南面距离米易县城35公里，攀枝花113公里，西昌市152公里。

大量的矿渣经管线运输进入尾矿库，长年累积，对周边环境和人民的生命和财产构成了巨大的威胁。

因此，必须对其进行动态的环境变化监测。

应用三维激光扫描技术进行矿井重大危险源的安全监控与风险评估，首先要进行点云的采集，而对于以尾矿库为主体的金属矿山重大危险源的监测，则主要是选择调查对象、现场踏勘和定点、扫描模式的选择；数据的采集，预处理，输出和管理，错误分析。

5.2 三维激光数据的获取
这一次利用澳大利亚马普特克公司的I-site88103D点云进行了实时的三维激光数据获取，其最大扫描半径可达到2公里，距10mm（200m）；在确定了扫描器的扫描方式后，进行了特定的扫描器，在扫描器的视场内将被扫的对象圈出来，极大地缩短了扫描的速度，提高了工作的效率，扫描结束后，再对被扫描的地区进行摄影，获得颜色、质地等方面的数据；点云的预处理通常需要专门的程序来进行，包括编辑、配准、拼接、建模等。

通过对两次三次扫描资料的采集，得到了地面DEM 的模式，并对其进行了激光扫描，得出了在2016~2017年12月大坝顶部高度1524.8 m，底部1392.6m，大坝高度132.2m。

2017年12月进行了3次激光扫描，实测了大坝顶部高度1535m，底部高度1392.4m，坝高142.6m，坝顶宽度359.2m，初期坝高程1439.6m，初期坝宽178.7m。

在设计中，大坝的初始高度为45m，大坝的顶部高度为1440m，顶部的轴线为190m，顶部的宽度为4m；在1∶2的情况下，上游1∶1.75的斜面。

在后期，以尾砂坝为基础，以1720米的堆场作为最后的堆场高度，以堆场为基础的坝体外侧的坡面为1∶5，各子坝外侧的坡面为1∶4。

通过对库内多个区域进行的多个模型对比，可以比较准确地估算出其堆积状况，以便进行实时的安全监测和监控，为安监工作地开展工作打下基础。

利用2016年12月8日和2017年12月5日的激光三维成像，经两个阶段的实测资料比较，得出了新的水库容量接近600万立方米。

6 库区安全运行参数监测精度对比分析
6.1 库区监测数据验证分析
根据新白马矿不同时期、该项目地质条件和三维激光扫描资料的实测资料，选择2018年3月31日、2017年11月28日至2016年12月11日时相遥感解译结果与之相应日期相近的三维激光成像成果数据开展精度评价。

6.2 库区监测数据精度分析
通过对金属矿尾矿库的遥感图像和激光三维扫描资料进行对比分析，得出两者属于不同规模的结果，因而在精度上存在着一定的差别。

将高分辨率图像和三维激光扫描仪的特征象结合。

由于遥感和激光三维成像资料的精度尺度不同，再加上这一次的时间不同以及人为解读，两者的结果有一定的偏差。

7 结语
本论文运用三维激光扫描仪对主要金属矿尾矿库主要危险点进行了安全监控，并取得了一些有益的结果。

利用区域高分辨率图像与风险源的安全操作指标进行了比较，得出了坝长、干滩长和坝体区域准确率分别高于97%、98%和91%，具有很好的准确率，基本达到了检验的需要。

三维激光扫描仪在矿井危险品监控中有着巨大的发展前景，它的测量和数据的构造与常规的测量方法有着天壤之别，它的数据处理与现有的理论分析方法有着很大的区别，它可以被具体地用于金属矿尾矿库的地质灾害探测和预测，目前仍有很多的理论和实践问题，还需进行深入地探讨。

提出了利用激光3D成像技术进行重大危险点的安全监控与评价的方法。

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