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激光雷达在智慧矿区中的应用

发布时间:2023-08-11 13:46:55 阅读次数:

一、 机载激光雷达在智慧矿区行业应用


随着数字矿山概念的提出,矿山管理对空间三维信息的需求也逐渐增强,三维可视化的管理模式已经成为数字矿山的主要内容之一,而且目前采用的测量方式所获取的数据难以满足三维数字矿山的需要。将三维激光扫描技术用于获取矿山的复杂表面和高位区域的空间三维信息,为解决复杂的矿山测量和数字矿山建设提供了新的技术手段。

针对大型露天矿,传统测量采用RTK测量方案,测绘精度高,但是耗时长,效率低。

测量队需要高频率地获取地形数据,及时地获得填埋方量和违规的超深越界挖采行为,为了减轻外业的作业强度,及时掌握矿区现场一手信息,机载激光测量系统无疑是露天矿上测量最佳解决方案。

1.1机载激光雷达在矿区作业前的应用

1.1.1矿区数字建模

利用无人机、激光雷达快速获取矿山的三维信息,建立一套基于矿山信息数字模型,为矿山的规划设计、勘探建设、生产和运营管理以及矿山报废等提供数据支撑。

同时,针对露天矿边坡、尾矿库、采空区地表沉降,实现全覆盖、实时监测、精准预警, 帮助矿山企业全面提高安全监管水平,降低矿区开采风险,实现矿山全生命周期安全绿色持续发展。



1.1.2矿区地质勘察

在地质领域可以开展地质编录的应用,包括:地质填图编录、探矿工程地质编录、采样编录。激光扫描仪在地质填图中可以用于绘制地质矿产图、工程地质图、基岩地质图、第四纪地质图等。取代部分传统全站仪测绘工作量大的工作。利用机载激光雷达扫描系统进行矿区地形、地貌扫描后建立数据库,后期工程设计,布置安排等不需要到现场进行测绘,室内便可完成,可以提高工作效率,节约人力资源。

1.1.3高陡边坡测量

在地质调查工作中,结构面产状是最基本的地质参数。但现场结构面尤其是长大断层,其产状通常具有较大的变化,或由于某些地形因素一些重要结构面的产状难以直接近距离量测。上述情形都使获得结构面的准确产状成为难题。

机载激光雷达扫描系统为这一问题的解决提供了有效手段。机载激光雷达扫描系统的处理软件直接提供产状量测工具,利用软件中生成的拟合平面工具可以模拟地质结构面,计算结构面产状。克服了地质罗盘单点测产状而存在的不足,其效果极为理想。



▲扫描原始点云构成模型




▲选中的结构面



▲结构面参数方程




▲点云数据中的结构面产状调查

1.2机载激光雷达在矿区作业中的应用

1.2.1矿山采挖测量和矿量计算

通过点云数据生成的 DEM 和 DTM 数据,可以进行矿山的采挖测量,在矿山开采前,通过获取的 DEM 和 DTM 数据实现植被占用面积和土石方量的计算, 最方便的是能实现直观的矿量计算,在矿山开采过程中,能够精确的获取采空区的空间信息,同时为安全生产通过技术依据。

优势:露天矿量的计算简单化、精确化。


1.2.2矿山采挖超深越界监测

   通过建立矿山规划开采面模型,作为矿山开采深度和范围的边界,开采过程中实时通过激光雷达对开采面进行扫描,同规划开采面进行比对,如超出深度或范围,即在数据中进行高亮显示进行反应,及时对开采越界进行预警。


1.2.3数字线划图获取

通过建立的矿山开采模型,1m 分辨率的数字地面模型能够生成高精度的等高线划图,高密度、高精度的点云模型通过拼接建模生成的数字线划图,将为矿山提供从 1:500-1:5000 的地形线划图,实现矿山测量基础数据的获取。


优势:

1、对于矿山的基础设施(控制点、办公楼、绞车房、井架、仓库、水塔、井口、管线、垣栅、消防设施、电缆沟、扇风机机道等)的空间数据,一次性扫描获取多个设施的空间位置,且数据形象直观,方便建立模型,矢量化后作为地形要素加入到矿山地形图中。

2、露天矿山测量快速测量,等高线画图分辨率高,数据质量高,如下图:



▲等高线图

操作面厚度分析

对同一个矿山堆体,通过叠加不同阶段如前后两天的堆体的三维模型,进行对比,即可得到其每天的操作面厚度和沉降情况。



▲操作面对比

如上图所示,通过不同的颜色区别实现不同操作面。

1.2.4矿区地质灾害预警

矿山地质灾害不仅会直接影响到矿山地质环境,而且会对生命安全造成严重威胁,矿山地质环境监测预警非常重要。

通过三维激光扫描、GNSS监测等方式组合,对矿区进行静态监测和周期性扫描,对矿区地形地貌进行建模分析,对矿区的地形沉降和地貌位移和坡度变化趋势进行判断,观测出滑坡体、崩塌体和不稳定斜坡的地表位移、变形发展情况。





1.3机载激光雷达在矿区作业后的应用

1.3.1矿区生态修复测量

矿山类型可分为沉陷区、矿坑和渣山的生态修复;按边坡类型可分为道路边坡和河道边坡的生态修复。发达国家在上个世纪初就开始了采石场生态修复的相关工作,最初的研究主要是集中在对采矿后遗留的废弃地的植被恢复工作。



通过激光雷达对矿区地貌环境进行扫描建模,了解矿区概况进行研讨分析,对废弃矿区恢复治理进行合理的规划和布局;达到植物与人的关系、人类如何依靠植物进行可持续发展。可以尽显矿区原风貌格局,融入自然的建筑,园林景观和生态景观两类植被自然衔接。


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