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摘要 ：我国山体资源丰富，近年来我国对山体资源的 开发不足 10%，我国金属矿山在山体中埋藏较深，我国的 金属矿洞贫矿非常多，而较为富有的矿洞极少，这就导致 我国在开发山体资源的过程中使得我国山体资源形成了 大量的采空区。近年来我国的金属矿山的采空区逐年增 多，我国相关工作人员为了充分掌握金属矿山采空区的形 状、体积以及内部空间，采用了三维激光扫描技术进行采 空区扫描， 通过对扫描出的参数进行数据处理并且将这些 数据搭建为三维立体模型， 这样可以清楚的看到金属矿山 采空区的形状、体积以及内部空间，方便了相关研究人员 后续对金属矿山采空区的研究。
关键词 ：三维激光扫描技术,金属矿山,采空区
金属矿山采空区是通过人为的挖掘工作或者是通过 地质运动形成的山体中的空洞。并且这种空洞的隐蔽性特 别强，空洞整体规模较大，这一现象导致我国金属矿山采 空区时常发生山体滑坡或者坍塌事故， 而这种坍塌事故一 旦形成，对附近居民的危害是极大的。现如今我国对于金 属矿山采空区的探测方法有多种， 其中比较常见的有钻探 法、高密度电法、电磁法以及三维激光扫描法。目前现在 我国对于金属矿山采空区的实际探测工作用的最多的方 法就是三维激光扫描法。三维激光扫描法主要是通过向金 属矿山采空区发射一束激光射线， 并且这一射线在遇到金 属矿山的采空区的山体时会进行反射， 而相关工作人员通 过专业的机器计算出反射的角度与距离， 最后在专业的成 像机器中形成金属矿山采空区清晰可见的空间三维立体 图。三维激光扫描技术可以快速的获得监护矿山采空区的 三维点云数据，其探测速度极快，探测效率极高，并且能 够展示出真实的金属矿山采空区空洞的真实面貌， 根据金 属矿山采空区位置的不同以及内部土壤岩石层的复杂程度不同， 可以使用不同的激光发射装置深入监护矿山的采 空区。本文主要分析了三维激光扫描技术如何在金属矿山采空区进行探测分析。
1 三维激光扫描技术相关论述
1.1 三维激光扫描技术概念
三维激光扫描技术在我国又称作实景复制技术，顾名思义三维激光扫描技术可以很好的将实景复制出来， 指的 是三维激光扫描技术的精准度极高。三维激光扫描技术首 先是由国外使用的，在 18 纪 90 年代西方国家中，相关研 究人员为了探测海洋内部的环境从而发明了三维激光扫 描技术，刚开始三维激光扫描技术是用在海洋探测中的， 通过近几年的发展， 我国逐渐将这种技术使用在金属矿山 采空区的探测中， 因为对海洋的探测与对金属矿山采空区 的探测使用的是同样的探测技术与同样专业的探测软件， 都是由一个发射激光的探头、传感器以及声速仪组成的。 在上个世纪初期， 我国相关研究人员将西方的三维激光扫 描技术引进到国内， 刚开始在我国的使用也像是西方国家 一样，主要用于海洋探测技术，并且这一技术在海洋测绘 中得到了广泛应用并且测绘效果极好。自改革开放以来我 国经济获得了持续稳定的增长， 传统的海洋测绘技术已经 不满足于当前的发展现状， 因此相关研究人员将三维激光 扫描技术应用在水上水下一体化测绘中， 后又经过我国经 济的发展， 现如今三维激光扫描技术已经广泛应用于我国 山体资源采空区的探测工作中。激光射线对金属矿山采空 区空洞的颜色进行参数记录， 能够有效的将我国金属矿山 采空区内部空洞的形状、内部空间以及体积进行准确有效 的记录并且在记录完毕后在专业的设备中显示出我国金 属矿山采空区完整的三维立体结构图， 这对后续对金属矿 山的开采提供强有力的依据。目前我国三维立体扫描技术 具有高速、高效、强有力的穿透力的特点，能够使其探测 的参数能够做到动态化与数字化， 并且精准度也能够得到 良好的保障， 三维立体激光扫描技术极大程度的提高了我 国传统的对于金属矿山采空区的探测技术的不足， 优化了 传统的钻头探测技术单点测量的弊端。三维立体扫描技术 可以将探测的山体表面的三维点云数据进行高度整合与 分析， 在专业的设备中呈现出高精度高分辨率的数字化地 形的图形， 用三维激光扫描技术实现了我国金属矿山采空 区的三维坐标以及大量空间点位的获取， 这是一种对无法 感知到的物体的一种三维成像快速构建的一种新型探测 技术， 目前三维立体扫描技术已经在我国的金属矿山采空 区探测的过程中广泛应用， 并且在未来三维立体激光扫描 技术能够在我国得到良好广阔的发展。
1.2 三维激光扫描技术工作原理
首先，在三维激光扫描技术的实际使用过程中是利用 激光的反射原理来进行扫描测量， 主要是通过激光反射的 原理对我国的金属矿山采空区的空洞进行坐标定位， 主要 是利用专业的软件对其激光的反射路径与反射角度进行 数据分析， 进而获得较为完整的比较全面的金属矿山采空 区的全景图以及坐标数据， 然后通过专业的设备进行数据 分析，从而使得我国金属矿山采空区空洞内的地形、内部 空间以及体积大小。在专业的数据处理的设备进行充分的 分析后，金属矿山采空区的长度、距离、面积以及目标结 构等都会清晰出现在专业的设备中。而组成三维激光扫描 技术的组成结构也是极其复杂的， 其中最重要的是一个激 光脉冲发射器，在进行金属矿山采空区探测的过程中，这 一发射器叫做探头，探头具有两个反光镜，能够做到快速 并且有序的转动， 在转动的过程中将发射出去的激光射线 反射出去，并且利用这两个反光镜将发射出去的激光射 线依次转进金属矿山的采空区中。其次，一个较为重要的 组成结构是传感器， 传感器在三维激光扫描技术中的作用 是能够测量每个激光射线从探头发射出去到金属矿山采 空区内的距离， 并且传感器能够清楚的记录到激光射线反 射的路径、距离与角度，相关探测人员可以在传感器屏幕 上清楚地看到激光射线的反射路径， 并且能够根据这些反 射路径判断出得到的数据以及三维立体图像是否准确。最 后，最重要的一个重要组成结构是声速仪，声速仪在三维 激光扫描技术起到的作用是呈现出最终的三维立体图像， 这是三维激光扫描技术中最重要的一个组成结构， 声速仪 能够将激光发射装置的参数与数据记录下来， 并且能够同 时记录传感器的参数与数据，传感器的反射路径、距离以 及角度这些繁琐的数据都能利用声速仪记录下来， 并且声 速仪进行数据的分析与整合， 最后形成一个完整的三维立 体结构图。我国的三维激光扫描技术已经广泛用于我国的 山体开发中去，在山体资源开发之前，相关开发人员要首 先利用三维激光扫描技术进行充分的探测， 要确保在即将 开发的山体资源中不存在采空区， 亦或者采空区不存在坍 塌或者山体滑坡的风险。三维激光扫描设备通过测量每个 激光射线从发射出去到山体表面的距离以及空间， 同时传 感器记录每一个激光反射的角度以及距离， 最后在专业的 声速仪中通过对参数数据的整合与分析形成完整的三维 立体设备。但是在专业设备的安装过程中，各种设备的线 路是极其复杂的， 在我国有很多因为线路故障而导致的三 维激光扫描技术的精准度出现差错的事件， 因此在进行线 路施工时要将设备的接头与插孔做成相同颜色， 目的是在 后续的拼接过程中不会因为线路链接故障而导致三维激光扫描技术的精准度出现错误， 这样可以大大提高三维激 光扫描技术的工作效率， 也能提高山体资源开发工作人员 的工作效率。
2 三维激光扫描技术的优势
2.1 非直接接触性
我国近年来测量探测技术已经得到了空前的发展，与 传统的钻头探测的方法相比较， 三维激光扫描技术具有极 大的优势。三维激光扫描技术中的非直接接触性是三维激 光扫描技术中最重要的优势之一。三维激光扫描技术是利 用激光反射的原理进行测量与探测工作的， 通过探头也就 是激光射线发射器， 与传感器发出的激光射线接收高速的 激光射线通过不断的反射测量而来的参数与数据， 最终利 用声速仪将激光射线传递的信号进行收集与整合， 并且得 到最终的测量探测结果， 在声速仪中清楚的展示出金属矿 山采空区内部的实景。三维激光扫描技术测量工作虽然步 骤繁琐，但是，都是相关测量探测人员非直接接触的，这 种非直接接触的测量探测方式保证了极快速度的测量， 并 且能够从根本上保障测量探测出来的数据参数的准确度， 非直接接触性可以有效的避免受到人为的因素干扰或者 破坏三维激光扫描技术的准确度与真实性， 并且在测量一 些不确定内部情况的采空区空洞时也大大降低了测量探 测工作人员的安全性， 可以保障相关工作人员的安全。
2.2 快速性与时效性
三维激光扫描技术的核心就是能够快速高效的探测 测量出金属矿山采空区内部的地形与内部空间， 能够大面 积高分辨率并且用极快的速度测量出金属矿山采空区的 三维点云坐标数据，据相关人员研究得知，三维激光扫描 技术的扫描速度高达每秒数百万点， 极大的提高了相关探 测人员的工作效率， 并且利用其快速性的优势大大缩短了 数据探测的工作时间。并且由于其探测速度的快速性，因 此三维激光扫描技术具有时效性，能够实时探测出金属 矿山采空区内部的结构与地形， 正因为这种实时性与快速 性，现如今我国的三维激光扫描技术，不但用于我国的金 属矿山采空区的测量应用中， 还已经广泛用于我国的陡峭 悬崖与细窄的巷道内的测量工作中。因为陡峭悬崖底部可 能会面临山体滑坡或者脱落的现象， 可能随时面临探测环 境不一样的现象， 三维激光扫描技术的时效性有效的解决 了这一问题， 对于我国金属矿山采空区或者陡峭的悬崖都 能够及时有效的测量出实时的地形地貌。
2.3 高密度与高精准度
三维激光扫描技术在我国别名是实景复制技术，顾名 思义三维激光扫描技术可以很好的将实景复制出来， 指的是三维激光扫描技术的高精准度与高密度。三维激光扫描 技术的本质就是利用激光射线的反射原理， 通过不断的反 射利用三维点云坐标来复刻出金属矿山采空区内部空洞 的地形地貌， 高精度高密度的将金属矿山采空区内部的空 洞的特征完整的复刻出来， 但是由于我国金属矿山采空区 是连续性的，这就使得三维点云坐标只能将一面刻画出 来，要想将金属矿山采空区内部空洞的整体景象刻画出来 就需要无数的点来进行同时复刻， 这些无数的点形成了三 维激光扫描技术的高密度， 而这些密集的点同时也决定了 三维激光扫描技术的精准度。因此在实际的三维激光扫描 技术的测量工作中， 激光射线通过不断反射形成了无数的 三维点云坐标， 这些三维点云坐标使得三维激光扫描技术 具有高密度的优势， 同时这些高密度的三维点云坐标使得 三维激光扫描技术具有高精准度的优势， 这样保证了对金 属矿山采空区进行高密度的三维激光扫描技术的测量， 从 而获得了高精准度的测量数据。
3 三维激光扫描技术在金属矿山采空区测量中的应用
3.1 进行数据收集
近年来随着我国山体测量的设备与技术不断的优化 与发展， 三维激光扫描技术在金属矿山采空区的测量中发 挥了巨大的作用。我国金属矿山由于我国不断的开采导致 有许多的采空区， 而后来的开采人员并不了解金属矿山内 部是否存在采空区， 如果金属矿山内部存在许多的采空区 会导致在开采的过程中可能造成山体滑坡或者山体坍塌 的风险， 一旦形成坍塌事故对附近的居民以及探测工作人 员的人身安全都是一种极大的危害。在进行三维激光扫描 技术测量时，要控制对金属矿山采空区的数据采集。在三 维激光扫描技术测量的工作过程中， 要在不同的金属矿山 的位置设置多个测量目标， 简单来说就是要在不同的位置 设置多个激光发射器也就是探头来保证测量数据的准确 性。在测量开始之前要在三个不同的位置上放置探头，并 且要确定这三个探头处在不同的平面上。找好点位后在放 置探头时，要格外注意金属矿山的位置，要确保测量得到 的数据是具有一定真实性并且是有效的， 避免出现测量的 位置底部没有采空区的现象。在实际的测量过程中，要准 确记录激光射线反射的路径以及反射的角度， 并且通过反 射的路径准确的记录到金属矿山采空区的坐标值。在测量开始之前要仔细检查传感器与声速仪的线路是否准确， 避 免因为线路安装出现问题导致测量到的数据不准确或者 无法测量， 这样大大降低了测量的效率。
3.2 三维点云数据的去噪与拼接
三维激光扫描技术在扫描的过程中会得到三维数据 点云坐标，但是三维点云数据坐标会受到外界环境与噪 音的影响导致其存在一定的误差，这种误差点在专业角 度来讲称为噪声点，周围的噪声过大会导致三维激光扫 描技术在进行测量的过程中影响测量的精准度。因此， 在 相关测量工作人员使用三维激光扫描技术进行金属矿山 采空区测量的过程中，需要额外去除三维点云坐标中受 到噪声影响的数值。三维点云坐标具有一定的复杂性， 并 且由于为了保证测量得到的数据参数不受外界人为的影 响，三维点云坐标是不可以被人为修改的， 因此这就需要 相关测量的工作人员进行手动识别三维激光扫描技术因 为噪声而产生的误差， 并且去除噪声点。将测量得到的没 有用的数据手动去除来确保三维点云坐标的准确性与可 利用性。在三维激光扫描技术的实际测量中， 我国的金属 矿山采空区内部极为复杂并且面积极大，在三维激光扫 描技术的测量过程中，可能因为复杂的地形以及巨大的 面积导致的数据有误差的情况， 因此， 相关测量人员在实 际的使用三维激光扫描技术测量金属矿山采空区时应当 进行多次扫描测量，这样可以极大程度上避免了金属矿 山采空区内部结构的复杂以及面积巨大导致的参数误差。 同时将测量得到的三维点云坐标与实际的金属矿山采空 区相结合，并且最后工作人员进行详细的整合得到完整 清晰的点云数据。
综上所述，三维激光扫描技术在金属矿山采空区的测 量中对金属矿山的外部环境要求不高， 并且能非常完美的 适应金属矿山采空区内部空洞的工作环境， 并且能够测量 到准确的三维点云坐标。现如今三维激光扫描技术已经逐 渐取代了我国传统的钻头式的测量技术， 与传统的测量技 术相比，三维激光扫描技术具有非常大的优势，并且能够 适应现在我国经济的发展速度。由此可见，三维激光扫描 技术在我国山体开发中具有非常广阔的发展空间。
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