三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的应用

三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的应用
摘要:随着测绘技术的进步和发展，在矿山采空区逐渐采用三维激光扫描技术进
行测绘，发挥了技术的优势和特点，保障了良好的工程建设。

本篇文章针对矿山
采空区测绘过程中应用三维激光扫描技术进行分析和研究，为开采矿山提供新的
技术支持。

以下的观点仅供参考和借鉴。

关键词：三维激光扫描；矿山；采空区；测绘
引言：在原有的矿山开采模式中，受到技术、自然因素的影响，采空区测绘结果
的真实准确性不能得到保证，不能预测采空区的塌陷情况，一定程度上威胁到矿
山开采人员的生产安全。

但原有的测绘方式受到其他因素的影响比较大，因此测
绘结果存在不准确的情况，不能达到预期的效果。

在运用三维激光扫描技术的过
程中可以定位矿山采空区的轮廓，从而定位到具体空间，为矿山开采提供相应的
资料信息。

1三维激光扫描技术原理及应用
三维激光扫描技术称为三维实景复制技术，最显著的特点就是构建地面数字
模型，集中光、机、电为一体，对建筑物景象和三维空间位置在较短时间内进行
精准记录，方便在测绘过程中进行合理运用。

三维激光扫描技术的测量原理是在
激光的基础上对距离进行测量。

三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量的方法，以点云形式表现出目标物体的基本特征。

仪器自身发射激光束到旋转式镜头
中心，镜头通过快速而有序地旋转将激光依次扫过被测区域，一旦接触到物体，
光束立刻被反射回扫描仪，内部微电子计算机通过计算光束的飞行时间从而计算
出激光光斑与扫描仪二者之间的距离；与此同时，仪器通过内置角度测量系统来
量测每一激光束的水平角与竖直角，进而获得每一个扫描点在扫描仪所定义坐标
系内的Ｘ，Ｙ，Ｚ坐标值，三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时也会将
激光点位置处物体的反射强度值记录，并称之为“反射率”。

内置数码相机在扫描
仪进行扫描的过程中可以方便、快速地获取外界物体真实的色彩信息，在扫描、
拍照完成后，可以得到点的三维坐标信息，也获取了物体表面的反射率信息和色
彩信息。

三维激光扫描技术在国内外较多的应用在三维地面景观测量、逆向工程、古建筑结构测量、地形测图、高精度数字地面模型的建立、工程改扩建、体积计算、电影特技、变形监测等领域。

2 三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的研究
三维激光扫描技术在矿山采空区测绘中的应用，主要由供电系统，激光扫描
仪和计算机组成。

扫描仪包括激光扫描系统和激光测距系统，以及集成的CCD，
校准系统和仪器的内部控制。

在激光扫描仪中，通过同步镜的旋转将激光脉冲传
输到测量区域，并且测量激光脉冲从物体的起始点到达表面所需的时间以确定距离。

同时，扫描每个脉冲激光的角度以计算激光在待测物体上的三维坐标。

使用
三维激光扫描技术时，一般情况下会生成自动坐标，如图1所示。

在扫描面内的X轴与在横向扫描面的Y轴垂直，横向扫描面与Z轴垂直。

因此，通过2个角
元素与一个线元素能够确定出被测空间的三维坐标定位点的X、Y、Z坐标。

三维扫描系统在
数据采集过程中，能够确定距离观测值S、脉冲扫描角观测值α以及纵向扫描角度观测值θ。

三维激光扫描测量一般使用内部坐标，结合图1，可以得到任意点计算公式。

3三维激光扫描技术工作流程
三维激光扫描技术作业流程包括外业数据采集和内业数据处理两部分。

外业数据包括布
置控制网和进行数据扫描的工作。

内业数据则包括清除噪音数据、拼接点云数据、制作三维
动画、生成模型、计算体系等工作。

三维激光扫描系统在工作中，会产生大量的测量数据，为三维坐标数据提供大量数据组。

三维激光扫描仪作为一种非接触的主动观测系统，可以对矿山采空区进行大面积高密度的三维空间数据进行采集。

3.1 采空区控制网布设
三维激光扫描仪采用的坐标系一般是以扫描仪为中心建立的独立坐标系，需要将各个独立的坐标系转换到一个统一坐标系中，就必须将具有矿区测量坐标系统坐标的控制点引入各个地下采空区，然后每站扫描时都通过扫描具有真实坐标的公共标靶实现点云数据坐标系统的统一及点云数据坐标与矿区测量坐标系的统一。

为此，首先利用全站仪，采用光电测距导线的形式，将测量控制点布设到所有地下采空区附近。

3.2工程概况测量
针对矿山采空区进行测绘的过程中应用三维激光扫描技术能够了解到工程概况，并通过测量得到相应数据信息。

首先要通过三维激光扫描技术采集内业和外业的数据信息。

测量矿山过程的过程中，应该充分运用三维激光扫描技术扫描采空区，得到精准的数据信息，在此基础上构建三维模型，更加直观形象展现出矿山采空区的基本情况，为后续工作提供资料，保证开采工作的安全可靠性。

3.3处理采空区数据
为了有效提取断面数据信息，需要构建采空区TIN网络，分析采集的数据信息。

首先利用扫描仪控制软件拼接采集的数据信息，扫描标靶数据，拼接不同站点的云数据，在拼接的过程中要注意数据之间的误差，要保证误差小于2mm。

采集矿山采空区数据的过程中会产生庞大的云数据，因此通过数据信息反映采空区的真实情况存在一定困难，同时增加了工作人员处理信息的难度。

因此在处理云数据的过程中需要运用特殊软件。

特殊软件指的是CAD，但这种软件的处理效果不是很突出。

为了更好的采集矿山采空区的数据信息，需要在开始工作之前对数据先进行抽稀操作，对等距离数据进行抽稀，减少总的数据量，保证剩余数据信息具有代表性，能够充分体现出矿山采空区的情况。

将抽稀数据作为原始数据，利用专业软件建立模型，以模型为基础，对矿山采空区断面面积与采空区实体体积进行计算，最终实现对采空区体积的精准测量。

4结束语
由上文可知，三维激光扫描技术实现了全数字化工作，因此能够保证时效性和精准度，快速获取矿山采空区真实三维场景数据信息，摒弃了传统的单点测量方式，推动了测绘技术的进步和发展，提供丰富多样化的矿区测绘结果。

当前阶段，在矿山采空区测绘中，应用三维激光扫描技术处于初期阶段，因此存在应用研究分析不到位的情况，但也为开采矿山提供了技术支持，在未来发展的过程中需要进一步研究，扩大实际的应用范围。

参考文献：
[1]刘树新,鲁思佐,李博,等.基于FLAC^3D数值模拟的矿山采空区承载能力研究术[J].煤炭技术,2017,36(5):121-122.
[2]谢晓钢,张建柱,罗文,等.三维激光光路组件化仿真设计工具[J].计算机仿真,2017,34(6):389-393.
[3]常立强,冯建辉.基于三维激光扫描技术的金属矿山采空区测量精度研究[J/OL].世界有色金属,2019(08):46+48[2019-07-03]。