蔡真印 吕红锁
河钢集团矿业公司司家营研山铁矿 河北省 063000
摘要：随着我国露天矿山开采技术的飞速发展，露天矿的开采规模不断扩大，由此产生的剥离土方量体积不断增加，以点、线为基础的传统测绘方式在现场测量速度、安全性及计量精度方面已不能满足露天剥离验收计量工作的需要。随着点云技术在测绘领域的不断发展，依托航测无人机、三维激光扫描仪等技术手段在露天矿进行的采剥区域远距离现状点云采集、矿坑地表三维模型建立、三维立体计量已成为露天矿采剥量计量管理的发展方向。
关键词：无接触测量技术；大型露天矿采；剥量验收
引言
露天矿采剥工程过程中主要由采装、运输、排弃等主要环节组成，采装和排弃的生产成本是相对固定的，而运输生产成本是动态变化的。尤其对采用单斗-汽车间断工艺的露天矿，运输成本受运距变化的影响较大。当某一时段采场和排弃位置发生产变化时，物料的运距也发生变化，随之物料运输费用也发生变化。运距的合理测算在露天矿生产经营管理中具有极其重要的作用，除了能够控制矿岩生产总成本外，作为运输环节生产成本的基础参数，也会有效避免其它运输材料（燃油、轮胎、润滑油）的消耗量产生较大偏差。
1研究背景
露天矿山进入深凹开采后，采场边坡不断加高加陡，边坡角逐渐增大，一方面将面临开采安全性越来越差，生产成本急剧上升，经济效益迅速下滑的问题；另一方面，对于金属矿山而言，提高帮坡角是充分回收资源、降低生产成本、增加矿山效益的重要手段之一。边坡稳定性分析是提高露天矿帮坡角的前提条件，当前，极限平衡和数值模拟相结合的方法被广泛应用到露天矿边坡稳定性分析中，在最佳帮坡角条件下，进一步降低矿山生产成本，提高矿山经济效益的另一个重要手段就是进行境界优化。最终境界优化方法很多，包括浮锥法、锥体排除法、图论法、动态规划法等。
2设备与软件
1）固定翼无人机。采用安行飞控虎蝠固定翼航测无人机，该无人机机身长度1．2m，翼展1．7m，飞机质量3．5kg，机身采用EPO泡沫外壳，碳纤维骨架材料制作，最大爬升高度3km，续航时间70～90min，单架次作业面积15km2，最远通讯距离20km，抗风能力约6级，地面最大分辨率2．5cm2，采用手抛起飞、滑行降落操作方式，机载相机为索尼A7R单反数码相机，相机像素3600万，35mm定焦蔡司镜头。
2）Optech扫描仪。采用OptechPolaris三维激光扫描仪，该扫描仪最小测距≤1．5m，最大测点速率≥500000kHz，垂直方向扫描视场角≥120°，水平扫描视场角360°，回波次数≥4次，水平角分辨率40μrad，100m处最小点间距≤4mm，角度精度≤±80μrad（1sigma），100mm处测距点位精度≤±8mm（1sigma），内置倾斜补偿≥10°，内置2个500万像素广角相机。
3）3DMine2017三维矿山软件。该软件是集地质勘探数据管理、矿床地质建模、构造模型、传统和现代地质储量计算、露天及地下矿山采矿设计、三维建模、工程量体积计算的三维可视化软件系统。2017版本软件在原有功能的基础上具备了依据点云进行数据建模功能。主要使用了3DMine中表面模块下的“生成DTM表面”、“体积计算”及工具模块下的“闭合线裁剪”3个功能。
3无接触测量技术在大型露天矿采剥量验收中的应用
3.1工作流程
采用固定翼无人机和扫描仪相结合的方法进行露天矿采剥量验收测量，固定翼无人机航测技术用于月度作业现场三维地形点云坐标手机，扫描仪主要用于日常跟踪、外业资料的调绘及对无人机数据的检核。
3.2固定翼无人机航测及数据处理
1）航线设置。
研究区位于安家岭露天矿外包剥离区，综合考虑风向及测量区域性状等因素，按照南北方向布设10条航线，航向重叠度为75％，旁向重叠度为55％，航摄比例尺约为1：500，相对航高约为350～400m，采用定点曝光方式进行摄影测量。本次航飞覆盖面积约10．5km2，有效面积5．5km2。
2）像控点布设。采用RTK技术进行像控点测量，为了确保像控点的精度，根据根点的测量要求进行测量。每一个像控点独立地观测2次，当平面较差小于3cm、高程较差小于5cm时取平均值为像控点的坐标。结合该区域地形特点，为了满足大比例尺测图精度要求，横跨4条基线布1个控制点，像控点要选在航向及旁向6张图像重叠范围内，在航线之间尽量公用。边缘像控点应布设在图廓线以外，以保证航测图满幅。整个测绘区域的控制点布设原则为：边缘密布，测区内部均匀布点，从而保证整个测区的平差及成图精度。
3）航测及数据处理。首先对航飞照片进行整理，通过导入pos数据→整理pos数据→新建工程→加载照片及pos数据→设置坐标系统→初始化处理→刺像控点→整体优化，最后生成点云。
3.3扫描仪日常跟踪测量及数据处理
通过设置新项目→设置扫描角度、测距模式及点密度→扫描→导出数据→新建数据处理任务→导入点云数据并进行自动预处理→精配准→坐标转换步骤，生成点云图。
3.4采剥量计算
在无人机进行航测的同时，测量人员根据现场管理人员、采矿计划人员、测量员及施工方4方确认，确定计量范围、分界及剥离物性状，并结合生产计划进行外业调绘，主要调绘内容包括作业范围、作业队伍、剥离物性状，红黏土界限，在工作面平坦位置测量部分中间点用于无人机数据检核。提取计量范围内的点云数据在完成内业数据处理后，根据外业调绘情况，利用3DMine工具模块下的“闭合线裁剪”功能对点云数据进行裁剪存储。利用点云数据及扫描仪数据对上月末数据及模型进行更新，根据两期点云数据，结合现场调绘施工范围，利用3DMine中表面模块下的“体积计算”功能中的“三角网法”进行体积计算。在露天矿山测量中，受露天矿开采扰动影响，测区地形复杂破碎，部分区域岩石陡峭、坡度大，甚至测量人员难以抵达，测量困难。使用无接触测量模式代替传统的GPS、全站仪等测量模式大大降低了劳动强度、提高了工作效率，具有安全风险小、数据精度高、成果直观等优点。
结语
在露天矿采剥量验收工作中，利用航测无人机＋三维激光扫描仪技术能够快速、准确的实现采剥现场三维点云数据采集，且点云数据内业处理方式简单、处理速度快、人为参与因素少，可操作性强。通过对点云数据的简单处理，利用3DMine软件实现地表三维模型建立及计量功能，建成的地表模型能真实表述现场实景，其计量功能准确性较高。
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