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1、5 2 露天采矿技术 2 0 1 2 年增 刊 控 制 器 计 删 接收器襞 ， 发射器I l 距 离 测 量 模 块 I I 扫 描 控 制 模 块 相位 ， 时间 l反射强度 + + 计算机总线 年 一 一 一一一 微处理器 存储器 图 1 三维激光扫描仪工作的示意图 向扫描面内 ， y轴在横 向扫描面内与 轴垂直 ， Z轴 与横向扫描面垂直。则采样 P点坐标为： xP =s s i nes i n俚 YP=S s i n0C O S 0 c z P =S s i n 0 ( 1 ) 图 2中 ( ， l ， P ， )表示为采样点空间三维坐 标 ； s 表示为采用点 P至测站的空间距离
2、； a表示为横向扫描角度观测值； 0 表示为纵向扫描角度观测值； Z P 图2 脉冲式三维激光扫描仪三维坐标确定方法示意图 1 ) 脉冲式三维激光扫描系统由激光测距仪主动 周期性地发射一个激光脉冲，经被测量物体的沿反 方向反射后又被测距仪接收。测距仪同时记录激光 往返的时间， 由往返时间， 可求得采样点与测距仪间 的空间距离。设备记录本身在水平和垂直方向的旋 转角度， 再通过软件， 解算出采样点的空间三维坐标 及其他相关信息。 设激光信号往返传播产生的时间差 t 为准， C 为光束速度， 则所测距离 S 为： S 争 z ( 2 ) 由公式( 2 ) 可直解求出采样点与测距仪间空间 距离， 根
3、据仪器记录横向、 纵向扫描角度观测值由公 式( 1 ) 可求出采样点的三维坐标。 2 ) 相位式测量是用无线电波段的频率， 对激光 束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生 的相位延迟， 再根据调制光的波长， 换算此相位延迟 所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线 所需的时间， 设备记录本身在水平和垂直方向的旋 转角度，通过软件解算出采样点的空间三维坐标及 其他相关信息。见图3 。 图 3 相位式三维激光扫描仪工作原理示意图 设激光信号往返传播产生的相位差 为准， c 为光束脉冲的频率为， ， 则所测距离 s 为： s = 争 ( 等) ( 3 ) 由公式( 3 ) 可间解求出采样点
4、与测距仪间空间 距离， 根据仪器记录横向、 纵向扫描角度观测值由公 式( 1 ) 可求出采样点的三维坐标。 3 准东大井矿区某煤矿概况 准东地 区某煤矿首采 区位 于吉木 萨尔县城北 9 0 k m，露天矿位于帐篷沟勘查登记区的中南部地 区， 南北长 2 7 2 4 5 3 k m， 东西宽 1 3 2 3 7 7 k m， 面 积 9 7 6 k m 2 。 露 天 矿 中 心 地 理 坐 标 ： 8 9 1 4 1 4 5 ， 4 4 4 8 4 9 ， 极值地理坐标 ： 东经 8 9 1 3 3 0 8 9 1 6 0 0 ， 北纬 4 4 4 7 5 0 4 4 4 9 4 7 。 露
5、天矿内的侏罗系地层 L 4 线以南， F 1 断层以西地层产状： 倾向8 3 9 O o ， 倾角 2 0 2 6 。 ， 断层处达 5 6 ， L 4 线以北， F 1 断层以东地层产状 ： 倾 向 1 2 8 1 4 0 。 ， 倾角 6 1 9 。 ， 表现为浅部陡、 深部缓。 露天矿内大部分区域地层倾向及倾角变化不大 ， 多 在 6 1 9 o 。B m巨厚煤层是露天矿唯一可采煤层， 露 天矿境界确定结果 ，采场地表走向最大长度 4 3 k m，地表倾向宽度 1 7 2 2 1 8 k m，地表面积 7 4 k m ， 最大开采深度 2 9 5 m。 扫描头 一 露天采矿技术 2 0
6、1 2 年增刊 5 3 测量是露天煤矿建设生产中的重要基础工作， 主要有地形测量、 边坡监测、 煤场库存量盘点、 采剥 工程量验收测量等测量。 该露天煤矿开采范围较大、 测量任务较低重，而且随着露天矿开采规模的扩大 测量工作量逐渐加大，同时对于采剥工程量验收测 量则要求尽可能提高测量精度，因此引进先进的测 量技术减轻露天矿测量工作强度，提高测量工作效 率是十分必要 的。 4 三维激光扫描仪的选型 表 1 是针对 目前市场上三维激光扫描仪厂家及 产品的各种技术参数进行对 比，为露天矿选择三维 激光扫描系统提供技术依据。露天煤矿在选择三维 激光扫描仪时应主要考虑表 l 中几个技术参数： 1 ) 选
7、择激光扫描速度较高的 ， 是指发 自激光器 的单位时间的激光点较多的。 2 ) 选择角度分辨率较小 的， 是指发射激光点间 距较小的。 激光扫描速度和角度分辨率是影响三维激光扫 描系统精度的最关键的技术参数，激光扫描速度越 高，角度分辨率越小则激光扫描的点云数据密度越 大， 原始数据越能反映现场真实情况。 表 1 中为各个厂家的标定技术参数， 实际各种参 数会受到各种因素的影响而变化。 如表 1 中的各种型 号仪器的扫描半径， 它是厂家出厂前针对较高的反射 率参考目标实验得出的。但在实际环境条件下， 通常 地面、 建筑物等反射率是 4 0 一 5 0 ， 树木的反射率 是 3 0 一7 0 ，
8、 当三维激光扫描仪遇到反射率高 的被 测 目 标时射程就远。而煤的反射率只有 1 5 左右， 因 此三维激光扫描仪的有效扫描半径在露天煤矿实际 应用过程中将会缩短很多。 因此露天煤矿在选择三维 激光扫描系统时应按工作实际使用需求进行选择。 表 l 各种品牌型号三维激光扫描仪技术参数 由表 1 也可看出脉冲式三维激光扫描仪 ，扫描 距离远 ， 精度较差 ， 扫描速度慢 ； 相位式三维激光扫 描仪， 扫描速度快， 精度高， 但扫描距离短。 针对露天 煤矿实际情况， 在进行地形测量、 采剥工程量验收等 工作时， 由于煤的反射率较低， 标定扫描半径将缩短 很多， 因此需要采用标定扫描半径较大( 5 0
9、 0 m ) 的 脉冲式三维激光扫描仪进行工作才能显示出仪器的 优越性，同时三维激光扫描仪的测距精度能够满足 露天煤矿的工作要求。 3 ) 选择抗外界环境条件干扰能力强的。相位式 三维激光扫描仪受太阳光照、 室外光线影响较大， 因 此当太阳光照、 室外光线不同时则仪器精度不稳定。 脉冲式受外界环境条件影响相对于相位式较稳定 ， 但是由于准东地区夏季室外温度经常高于 4 0 c c ， 而 冬季室外温度经常低于零下 2 0 ， 外界条件比较恶 劣，现在市场上很多种三维激光扫描仪是针对较平 和天气情况设计 的，因此当仪器在极寒或极高温天 气条件下， 将不能正常工作或精度受到很大影响。 因 此在选择三维激光扫描仪时除考虑 自 身的有效扫描 半径、仪器精度外还要考虑仪器面对极值天气时的 精度变化情况 。 5 三维激光扫描系统在露天煤矿应有中的发展趋势 目前， 由于三维激光扫描系统售价较高， 煤炭反 射率较低影响射程等因素影响 ， 导致三维激光扫描系 ( 下转第 5 5页 )
