CN107103153B - 一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法，包括：前期准备工作；采区范围空间点云数据采集与数据预处理；通过采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型；通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型；建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量；通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积；矿体动用范围矿产资源消耗量评估。本发明还提供了一种高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法与空间点云数据模拟分布二次曲面拟合法，使矿产资源消耗量评估效率与精度明显提高。

Description

一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法

技术领域

本发明涉及矿产开采技术领域中资源储量评估方法，尤其涉及一种基于三维激光扫描技术与地质技术相结合，充分发挥三维激光扫描技术优势的矿产资源消耗量评估方法。

背景技术

更为精确的矿产资源消耗量评估方法对于矿区深部成矿预测、矿山探采对比研究、资源储量动态检测、采矿工程量验收、矿山“三率”管理，以及非法采矿造成矿产资源储量破坏价值评估等地质工作的开展及成效具有重要意义。然而，由于矿山开采形成的开采区作业条件艰苦、危险，矿体动用范围空间形态异常不规则、岩矿界面凸凹不平，以目前GPSRTK、全站仪等常规测量仪器采集有限数据构建矿体简单几何形态直观性差、工作效率低下，矿产资源消耗量评估结果往往与实际消耗量悬殊大，因此，需要借助现代先进测量技术对矿产资源消耗量评估方法进行科学改进。

三维激光扫描技术(3D laser scanning technology)，又称实景复制技术，是通过高速激光扫描测量方法，大面积、高分辨率地获取测量对象表面点云数据，可以快速、大量地采集空间密集点空间三维坐标、反射率和纹理等信息，为线、面、体等各种图件数据采集、三维模型建立提供了一种全新的技术手段。由于三维激光扫描作业的快速性、非接触性，测量数据的高密度、高精度，成果资料的数字化、自动化等特性，为矿山开采中动用矿体形态数字模型建立及矿产资源消耗量评估提供了技术手段与研究方向。

由于矿产资源开采中动用矿体形态不规则，根据矿山开采形成的露天采坑或地下采空区，运用现代科技成果中三维激光扫描技术进行采区范围扫描测量，再结合矿山地质技术对采集的空间点云数据科学处理，为更为准确的矿产资源消耗量评估提供了可能。目前，通过空间数据采集、分析处理、数字建模、体积估算，实现矿产资源储量科学评估，已经成为数学地质重要研究方向。

综上所述，对于矿产资源消耗量评估工作，需要借助三维激光扫描技术发明新的矿体动用范围测算方法，以提高矿产资源消耗量评估的效率和精度。

发明内容

本发明目的是提供一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方法为：本发明提供了一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法中高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法、采区范围空间点云数据修正原则及方法，动用矿体形态点云数据空间分割方法，矿体区块范围空间点云数据的二次曲面拟合方法，实现了不连续点云数据空间范围极限估算方法，将形态复杂的矿体动用范围空间点云数据模型化、密集化、连续化，为矿产资源消耗量高效率、高精度评估目的的实现提供了可能。

本发明在提供一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法中，首先提供了一种高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法，该方法是利用高密度连续均匀分布数据点构建的空间范围中心点与空间范围上相邻两数据点连线长度近似相等、相邻连线间夹角接近均值的特征，推导出不规则曲线上高密度连续均匀分布数据点围成空间范围的平面面积估算公式和立体体积估算公式：

其中T_i是不规则面或不规则体中心点到空间范围上任意数据点的连线长度。

本发明提供的一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法，该方法采用以下操作步骤。

(1)前期准备工作：包括收集矿产勘查阶段地质资料及矿山开采阶段日常管理技术资料、组织专业人员作业现场实地考察、制定作业技术方案。

(2)采区范围空间点云数据采集与数据预处理：通过外业操作完成采区范围数据扫描任务，通过内业整理完成数据预处理，保存采区范围原始空间点云数据。

(3)通过采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型：根据矿山开采中采区贫化、损失、堆碴情况，对采区范围原始空间点云数据进行技术调整，还原矿体实际动用范围，建立动用矿体形态数据模型。

(4)通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型：根据动用矿体形态及矿石类型质量品位分布特征，对修正后的矿体动用范围空间点云数据建立的动用矿体形态数据模型进行实体化处理，确定矿产资源消耗量估算中矿体动用形态的区块划分方案，利用分割切面方程空间位置关系，将矿体动用范围空间点云数据过滤成若干个空间点云数据分布区域，以此建立区块形态数据模型。

(5)建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量：区块形态数据模型中截面空间点云数据分布既不连续、也不均匀，无法采用高密度连续均匀分布数据点的空间范围极限估算方法，为此需要采用二次曲面拟合法对截面空间点云数据模拟分布进行曲率拟合与密度拟合，通过模拟截面对应的点云数据分布量实现区块形态数据模型点云数据高密度分布的连续性、均匀性；首先用区块截面轮廓线空间点云数据组(x_jk、y_jk、z_jk)、区块中心点o坐标数据估算出各截面面积、各截面到区块中心点的距离l_j，以此建立的标准球缺数字曲面模型，估算出区块各截面对应球缺模型半径R_j、球冠面积S_j；然后根据各截面对应球缺模型中的球冠面积与区块外表面积S_b(不包括截面积)建立半径为R的标准球体数字曲面模型，再利用各截面对应的球缺模型半径、球冠面积及模拟点云数据分布量m_j、区块外表面空间点云数据组(x_i、y_i、z_i)到中心点距离的长度R_i、外表面点云数据分布量N的关系，估算出区块形态上截面对应的高密度连续均匀分布模拟点云数据总量∑m_j。

(6)通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积：根据区块中心点与各截面轮廓线围成的曲面，把整个区块形态拆解成若干个与截面对应的锥体和一个挖缺体，结合区块截面面积和区块中心点到各截面的距离，估算出区块上各锥体体积V_j；再采用曲面模型均分原理估算出区块上挖缺体体积V_w、各锥体与挖缺体间隙体积V_g，从而估算出动用矿体中区块范围空间体积V_q＝V_w+∑V_j+∑V_g。

(7)矿体动用范围矿产资源消耗量评估：根据动用矿体形态中区块范围空间体积及其矿石体重、质量品位数据，估算矿山开采时各区块消耗矿产资源矿石量及有益组分量，然后通过采区数理统计评估出矿体开采中动用范围矿产资源的矿石及有益组分消耗总量。

本发明优点是：通过三维激光扫描技术，能够全面采集到矿山开采区范围高密度连续均匀分布的空间点云数据；通过空间点云数据术修正、空间分割、数据过滤、二次曲面拟合等技术方法，建立点云数据模拟分布数字曲面模型；通过对区块各截面对应的模拟点云数据分布量估算，实现了采用高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法对不连续不均匀分布空间点云数据构建的区块范围空间体积进行估算，使矿山开采中动用矿体的矿产资源消耗量评估结果更为准确，与目前常规测量仪器测算法相比，本发明提供的评估方法精度与效率明显提高。

附图说明

图1为不规则曲线上高密度连续均匀分布数据点围成的平面范围面积估算图。

图2为矿产资源消耗量评估流程图。

图3为采区范围空间点云数据修正剖面示意图。

图4为矿体动用范围点云数据空间分割示意图。

图5为区块形态处理及点云数据分布模拟图。

图6为截面对应标准球缺模型图。

图7为区块对应标准球体模型图。

图8区块形态模型拆解示意图。

具体实施方式

一般在矿产资源消耗量评估时，是根据勘查开采阶段获取的矿体动用范围中各区块平均厚度，再用常规仪器测量法获取的有限的空间数据投影面积来估算区块范围空间体积、矿石量及有益组分量，然后统计出矿体动用范围矿产资源消耗总量。由于该方法对矿体动用范围的空间信息的采集是有限的、不连续的、不均匀的，无法全面反映开采阶段矿体揭露空间范围；另外该评估方法主要是在剖面图、平面投影图上进行，误差大且费时费力。鉴于现有技术的不足，本发明提供一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法，可通过对矿体勘查开采阶段地质资料收集，采区范围空间数据扫描采集、处理修正，动用矿体形态数据模型空间分割、数字建模，再利用极限方法实现矿体动用范围空间体积的估算，进而对矿山开采中矿产资源消耗量做出评估，与现有方法比较作业效率与估算精度都有明显提高。

本发明在提供一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法中，首先提供了一种高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法，实现了对形态不规则的面、体空间范围更为准确的估算，该方法包括下面内容。

(1)高密度连续均匀分布数据点特征。

三维激光扫描测量技术发展实现了空间范围高密度连续均匀分布数据点采集，由三维激光扫描技术优点可知，直接利用三维激光扫描测量成果资料建立空间范围数字模型具有重要特征：一是相邻的空间范围数据点与中心点连线长度近似相等，二是相邻连线间夹角接近均值。

(2)不规则平面范围。

由不规则曲线上高密度连续均匀分布数据点围成的平面空间范围，如图1所示(平面范围中心点1、曲线上数据点2、中心点到曲线上数据点连线3、曲线上相邻两数据点连线4、中心点与曲线上相邻数据点连线间夹角5)，用平面范围中心点o与曲线上相邻两个空间数据点(如A、B)把不规则平面范围分成若干个三角形，再通过连续求和估算出不规则平面范围的面积为：S_不规则面＝∑[(T_iT_i+1sinθ_i)÷2]，再根据高密度连续均匀分布数据点特征可知，当曲线上的数据点高密度连续均匀分布时(即n→+∞,lim(T_i-T_i+1)＝0、lim[(sinθ_i)-θ_i]＝0、lim(sinθ_i)＝2π÷n，利用极限方法推导出不规则平面面积估算公式：

(3)不规则立体范围。

同上原理，由不规则曲面上高密度连续均匀分布数据点围成的立体空间范围，用立体范围中心点与曲面上相邻三个空间数据点把不规则立体范围分成若干个三角锥体，利用极限方法可知当立体范围外表曲面数据点高密度连续均匀分布时(即n→+∞),lim(T_i-T_i±1)＝0、lim(sinθ_i)＝lim[2sin(θ_i÷2)]、lim[(sinθ_i)-(sinθ_i±1)]＝0，由此可估算出不规则立体范围表面积为体积为

再由不规则立体范围的特例情况下呈标准圆球体时(即T_i＝T、θ_i＝θ)，不规则立体范围表面积为可知，在n→+∞时， 由此可推导出不规则体表面积及体积估算公式：

本发明提供的一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法，如图2，该技术方法步骤包括：

S1、前期准备工作；

S2、采区范围空间点云数据采集与数据预处理；

S3、通过采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型；

S4、通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型；

S5、建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量；

S6、通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积；

S7、矿体动用范围矿产资源消耗量评估。

所述的步骤S1中，前期准备工作，该步骤包括下面内容。

(1)资料收集。

收集矿产勘查及矿山开采中矿体品位、厚度、资源储量，采区剥离、采幅、贫化、损失等基础地质资料，还要收集矿山开采中以往采区范围空间测量数据资料。

(2)实地考察。

了解采区的环境条件、安全条件、开采技术条件、矿体顶底板开采程度，采区范围、作业状态、堆碴情况。

(3)制定方案。

设计扫描精度、站点布设与标靶布设，绘制扫描计划草图，标注站点与标靶位置、记录采区基本信息，并对架设标靶的控制点进行常规测量。

所述的步骤S2中，采区范围空间点云数据采集与数据预处理，该步骤包括下面内容。

(1)数据采集。

1)依据扫描作业方案，将仪器架设在指定位置，将反光标靶也放到设计位置上。

2)启动并调整仪器，完成仪器激光的对中与整平；根据采区情况确定扫描范围，按成果数据资料的精度需要对仪器扫描分辨率及点云数据质量进行设置，然后开始第1站点扫描作业。

3)站点作业完成后关闭仪器，移到第2个站点继续上述作业流程。

4)完成第2站扫描后，将标靶设置到2、3站间公共区域，重新扫描标靶才算完成本站作业。

5)重复以上作业流程，直到完成各站点的数据采集。

注意：扫描作业时，开采作业必须停止，控制人员移动，清除仪器前方遮挡物；扫描时还应及时测量作业现场温度。

(2)数据预处理。

1)数据预处理包括标靶中心点坐标数据提取，点云数据拼接，去噪、抽稀，坐标转换及特征信息提取等，全部由仪器自带配套软件来完成。

2)首先在软件中拟合计算出各站间公共标靶的中心坐标作为基准点，通过这些基准点将各站点采集的点云数据拼接起来，并将其整合在矿山统一的坐标系统中。

3)其次要删除采集到的多余噪声点，并进行点云数据抽稀处理。

4)第三，变换其坐标原点，使其位于计量板上定位标靶的中心处。

5)最后将处理过的采区空间点云数据(X_i、Y_i、Z_i)以txt格式导出存盘。

注意：如果本次所采集的点云数据不能构建封闭的采区范围空间数据模型，还需要与以往采集的空间数据进行配准、拼接，如开采区是露天采坑，还应收集开采前的原始地形地貌测量成果数据资料。

所述的步骤S3中，通过采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型，如图3，该步骤包括下面内容。

(1)在矿体开采作业中无法按照矿体产出形态完整采出来，会出现因顶底板局部超采造成围岩混入矿石中的贫化现象，也会出现因顶底板局部没有采透、安全矿柱预留等造成矿石无法回收的损失现象，如图3所示(围岩1、矿体2、矿体界线3、采区范围线4、钻探取样孔5、矿体可回收暂时损失部分6、超采围岩7、矿体永久损失部分8、采区跟踪管理取样线9)。

(2)数据修正原则。

1)对于矿体开采过程中围岩超采部分，矿体顶底部少量残留、矿柱永久占用等矿体不可回收部分，把这部分矿体纳入矿体动用范围处理，对采区范围空间点云数据进行修正。

2)对于开采过程中没有采透的矿体、临时性矿柱，其规模、属性仍然能够满足矿山后期回采、残采要求，属于可回收利用的暂时性损失，这部分矿体不纳入矿体动用范围，采区范围空间点云数据不予修正。

3)对于采区内存在的矿碴堆积情况，根据前期准备阶段中现场实地考察时碴堆位置、规模、高度等数据记录，结合矿体在该部位的赋存状况，对采区范围空间点云数据进行修正。

(3)上述过程可通过地理信息系统实现，将步骤S2中导出的txt格式数据导入系统，根据收集的矿山以往勘探、开采期矿体取样成果地质资料，按片区单元对采区范围空间点云数据进行修正，还原矿体动用范围的真实状态，从而建立动用矿体形态数据模型。最后将修正的空间点云数据(X_i修、Y_i修、Z_i修)以txt格式导出。

所述的步骤S4中，通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型，该步骤包括下面内容。

(1)实体化处理。

1)由于矿体的矿化不均匀性、开采工程地质条件差异性、开采技术手段落后的影响，利用矿体动用范围空间点云数据建立的数据模型在形态上表现为参差不齐的不规则内空体，即中心点与范围的界面点连线存在穿出界面的现象。

2)为了实现不规则内空体体积估算，需要对其进行实体化处理，把参差不齐的母体分离成若干个凸形子体，即子体中心点到子体界面任意空间点的连线都是唯一的，如图4所示(动用矿体形态数据模型1、动用矿体形态范围2、空间分割切面3、截面4、截面轮廓线5、空间分割切面编号6)。

(2)数据模型空间分割。

1)空间分割。

根据矿体动用范围建立的空间形态数据模型，结合矿体中矿石类型及品位质量分布情况，设计矿产资源消耗量估算区划方案，确定动用矿体形态数据模型分割部位，通过现场测定或直接在设计分割截面轮廓线上提取空间特征数据点三维坐标数据，以此解算出矿体动用范围点云数据空间分割切面空间方程a_jx+b_jy+c_jz+d_j＝0的参数a_j、b_j、c_j、d_j值。

2)数据过滤。

利用各切面方程空间位置关系对矿体动用范围空间点云数据进行过滤，获得若干个空间点云数据分布区域，用这些点云数据围成的区域范围建立动用矿体形态数据模型中的区块形态数据模型。

所述的步骤S5中，建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量，该步骤包括下面内容。

(1)处理方法。

经空间分割、数据过滤后形成的区块范围空间点云数据分布既不连续也不均匀，为此需要采用二次曲面拟合法对区块上的空间点云数据分布进行高密度连续均匀性模拟处理，估算出与区块外表面实际空间点云数据分布密度条件下各截面对应的模拟点云数据分布量m_j，以实现采用极限方法进行区块范围空间体积估算时需要满足的空间点云数据条件要求。

(2)数据分组。

1)矿体形态数据模型空间分割后，区块上各截面的空间点云数据仅分布在轮廓线上，而截面内部却没有空间点云数据分布，出现点云数据分布不连续不均匀的现象，如图5所示(区块中心点1、外表面上数据点2、截面3、截面廓线上数据点4)。

2)为了实现对区块上各截面空间点云数据分布进行高密度连续性均匀性模拟处理，首先需要提取区块范围空间点云数据中构成截面轮廓线的点云数据，依据区块的空间范围数据点距离前述的空间分割切面距离的远近，运用空间任意点到平面的距离公式：

v值根据三维扫描仪在数据采集时精度设置与平均测距确定，将区块范围空间点云数据分成区块外表面空间点云数据组(x_i、y_i、z_i)和各截面轮廓线空间点云数据组(x_jk、y_jk、z_jk)。

3)统计区块外表面空间点云数据分布量N，各截面轮廓线空间点云数据分布量f_j。

(3)建立球缺数字曲面模型实现区块截面对应模拟数据点连续性分布的曲率拟合。

1)区块形态处理。

为了能够采用极限方法进行区块范围空间体积估算，需要以区块中心与切面为基础，建立球缺截面与区块截面面积一致的球缺数字曲面模型，可实现在球冠曲面上进行模拟点云数据的连续分布，如图5所示(球缺截面5、球缺截面中心点6、球冠7、球冠模拟数据点8)，各截面对应的球缺模型与区块模型完全是可拼接的，拼接后的区块在形态上具备了连续性。

2)标准化处理。

由于区块上截面形状的不规则性，所建立的球缺模型在数理统计中无法与其它截面及区块外表面模型统一对比研究，为了实现建立的截面对应球缺模型与区块模型拼接后的曲面模型具有统一性，需要对上述球缺模型进行标准化处理，通过对区块及截面形态数据信息应用实现区块截面对应模拟数据点连续性分布时标准球缺模型与区块形态数据模型的曲率拟合。应用区块中心点o到截面距离l_j、截面面积s_j作为球缺参数解算出球缺半径R_j，以实现各截面对应曲率标准球缺模型的建立，如图6所示(标准球缺1、与区块截面积相等的球缺截面2、区块中心点到截面距离线3、区块中心点4、球缺半径5、球缺截面半径6)。

3)数据计算。

区块中心点o的空间数据坐标(x₀、y₀、z₀)可通过均值公式解算，中心点到各截面的距离长度

区块各截面中心点o_j空间坐标数据(x_j0、y_j0、z_j0)可通过均值公式解算，此中心点到截面轮廓线上数据点的连线距离长度

截面轮廓线上点云数据分组是根据v值拟合而来，即截面轮廓线上数据点实际分散在切面以外距离v范围内，在进行区块截面面积估算时需要对r_jk进行调平修正，修正后的连线长度

由于采用了三维激光扫描技术，截面轮廓线上点云数据分布是高密度连续性的，可采用极限方法进行区块各截面面积估算

根据球缺截面积M_j与区块截面s_j相等，可解算出标准球缺截面半径再结合区块中心点到截面的距离l_j，再以下列公式解算出区块各截面对应的标准球缺半径、球冠面积：

S_j＝2πR_j(Rj-l_j) (5)。

(4)建立球体数字曲面模型实现区块截面对应模拟数据点均匀分布的密度拟合。

1)建立球体模型。

为了实现区块截面对应模拟数据点均匀分布的密度拟合，需要用区块外表面数据点、截面对应模拟数据点在等密度分布时与区块中心点连线长度平均值建立半径R的球体数字曲面模型，如图7所示(区块中心点1、区块外表面2、区块截面3、标准球体模型中心点4、球体模型半径5、球体截面6、球冠7、球缺8)，设定区块上各截面对应标准球缺的球冠模拟数据点分布量为m_j，截面对应标准球缺的球冠模拟数据点分布总量即为∑m_j。

2)数据计算。

根据区块中心点o与区块外表面上各个空间数据点的连线距离长度可推导出建立的球体数字曲面模型半径长度需要满足的条件公式：

为了实现截面对应模拟数据点与区块外表面实际数据点的均匀分布的密度拟合，球体数字模型需要满足球体面积等于区块外表面积、各截面对应标准球缺的球冠面积之和，以及点云数据在球面上等密度分布的条件公式：

为了实现区块各截面对应模拟数据点的密度拟合，各截面对应标准球缺的球冠模拟数据点需要满足密度相等的条件公式：

根据以上三个条件方程式，结合区块外表面实际空间点云数据分布量N，区块各截面对应的标准球缺半径R_j、球冠面积S_j，可解算出区块各截面对应的模拟点云数据分布总量∑m_j。

S6、通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积，该步骤包括下面内容。

(1)区块形态拆解。

利用空间分割切面方程过滤后形成的空间点云数据组所建立的区块空间范围，用区块中心点o与各截面轮廓线构建的曲面，可以将区块空间范围分解成若干个与截面对应的锥体与一个挖缺体，如图8所示(区块中心点1、区块外表面2、拆解前区块截面3、锥体底面4、锥体侧面5、挖缺体6)。

(2)锥体体积估算。

区块拆解后与各截面对应的锥体体积，可根据前面求得的区块各截面面积s_j、区块中心点到该截面的距离l_j，运用锥体体积公式对区块各截面对应锥体体积估算：

(3)挖缺体体积估算。

由于采用了三维激光扫描技术，可根据区块外表面上高密度连续性均匀分布的空间点云数据分布量N，结合二次曲面拟合法对区块各截面模拟处理后估算的对应点云数据分布总量∑m_j，利用点云数据分布量空间占比关系对挖缺体进行体积进行估算，采用曲面模型均分法,运用不规则体体积极限估算公式(3)进行区块挖缺体的体积估算：

(4)锥体与挖缺体间隙体积估算。

由于截面轮廓线上数据点在空间数据分组时采用的是距离拟合法，在截面面积估算时又采用了调平修正，导致区块截面轮廓线上有f_j个点云数据信息没有参与到区块范围空间体积估算中，同样采用曲面模型均分法对各锥体与挖缺体间隙进行体积估算：

(5)区块范围空间体积估算。

区块范围空间体积等于挖缺体、各锥体及其间隙体积总和：

V_q＝V_w+ΣV_k+ΣV_g (12)。

S7、矿体动用范围矿产资源消耗量评估，该步骤包括下面内容。

(1)根据动用矿体形态及矿体中矿石类型质量分布情况划分的区块范围空间体积，结合区块范围内矿石体重与质量品位数据，评估出矿体开采中区块范围所消耗矿产资源矿石量及有益组分量。

(2)重复以上步骤，估算出矿山开采中矿体动用范围内各区块所消耗矿产资源矿石量及有益组分量，然后通过数理统计评估出矿山企业开采中矿产资源的消耗总量。

应当指出，上述具体实施方式是用来更好地解释说明本发明，并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明做出的任何修改和变动，都会落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于三维激光扫描技术的矿产资源消耗量评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)前期准备工作；

(2)采区范围空间点云数据采集与数据预处理；

(3)通过采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型；

(4)通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型；

(5)建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量；

(6)通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积；

(7)矿体动用范围矿产资源消耗量评估；

其中，为了便于本领域技术人员对不规则形体面积和体积估算公式的理解和运用，该方法首先提供了一种高密度连续均匀分布数据点空间范围极限估算方法，该方法包括：

a)高密度连续均匀分布数据点特征：三维激光扫描测量技术发展实现了空间范围高密度连均匀分布数据点模型建立，高密度连续均匀分布数据点空间数据模型重要特征一是相邻的空间数据点与中心点连线长度T_i近似相等，二是相邻连线间夹角θ_i接近均值；

b)不规则平面范围：由不规则曲线上高密度连续均匀分布数据点围成的平面空间范围，用平面范围中心点与曲线上相邻两个空间数据点把不规则平面范围分成若干个三角形，通过连续求和估算出不规则平面范围的面积为S_{不规则平面}＝∑[(T_iT_i+1sinθ_i)÷2]，利用极限方法推导出不规则平面面积估算公式：

c)不规则立体范围：由不规则曲面上高密度连续均匀分布数据点围成的立体空间范围，用立体范围中心点与曲面上相邻三个空间数据点把不规则立体范围分成若干个三角锥体，同理，利用极限方法推导出不规则体表面积及体积估算公式：

注：T_i是不规则面或不规则体中心点到空间范围上任意数据点的连线长度

其中，所述的步骤(1)前期准备工作，具体包括：收集矿产勘查阶段地质资料及矿山开采阶段日常管理技术资料、组织专业人员作业现场实地考察、制定作业技术方案。其中，所述的步骤(2)采区范围空间点云数据采集与数据预处理，具体包括：通过外业操作完成采区范围数据扫描任务，通过内业整理完成数据预处理，保存采区范围原始空间点云数据。

其中，所述的步骤(3)采区范围空间点云数据修正建立动用矿体形态数据模型，具体包括：根据矿山开采中采区贫化、损失、堆碴情况，对采区范围原始空间点云数据进行技术调整，还原矿体实际动用范围，从而建立动用矿体形态数据模型。

其中，所述的步骤(4)通过动用矿体形态数据模型空间分割建立区块形态数据模型，具体包括：

a)不规则体实体化处理：由于矿体的矿化不均匀性、开采工程地质条件差异性的影响，利用矿体动用范围空间点云数据建立的动用矿体形态数据模型多呈不规则内空体，为了实现不规则内空体体积估算，需要把不规则母体分离成若干个凸形子体，即子体中心点到子体界面任意空间点的连线都是唯一的；

b)数据模型空间分割：通过设计矿产资源消耗量估算区划方案，确定动用矿体形态数据模型分割部位，根据分割截面空间特征数据点三维坐标数据解算出矿体动用范围点云数据空间分割切面方程a_jx+b_jy+c_jz+d_j＝0，利用各切面方程空间位置关系进行矿体动用范围空间点云数据过滤，获得若干个空间点云数据分布区域，以此建立动用矿体形态数据模型中的区块形态数据模型。

其中，所述的步骤(5)建立数字曲面模型估算区块截面对应的模拟点云数据分布量，具体包括：

a)处理方法：区块范围空间点云数据分布既不连续也不均匀，需要采用二次曲面拟合法对区块上的空间点云数据分布进行高密度连续性、均匀性模拟处理，估算出与区块外表面实际空间点云数据分布等密度条件下各截面对应的模拟点云数据分布量m_j；

b)数据分组：在对区块上各截面空间点云数据分布进行模拟处理时，首先需要利用区块分割切面距离公式将区块范围空间点云数据分成区块外表面空间点云数据组(x_i、y_i、z_i)和各截面轮廓线空间点云数据组(x_jk、y_jk、z_jk)，并统计出区块外表面空间点云数据分布量N及各截面轮廓线空间点云数据分布量f_j；

c)建立球缺数字曲面模型：为实现区块截面对应模拟数据点连续性分布的曲率拟合，需要建立与区块各截面对应的标准球缺数字曲面模型，通过对区块中心点o到截面距离l_j与运用不规则平面面积极限估算公式(1)解算出来的截面面积M_j这两个关联着区块、截面形态数据信息的应用，结合球缺截面与区块截面相等的模拟条件，实现截面对应的标准球缺模型与区块形态数据模型的曲率拟合，解算出球缺模型参数半径R_j、球冠面积S_j，区块各截面对应的标准球缺半径、球冠面积计算公式：

S_j＝2πR_j(R_j-l_j) (5)

d)建立球体数字曲面模型：为了实现区块截面对应模拟数据点均匀分布的密度拟合，需要用区块外表面空间数据点、截面对应模拟数据点等密度分布时与区块中心点距离平均值R为半径建立球体数字曲面模型，在设定区块上各截面对应标准球缺的球冠模拟数据点分布量为m_j时，可推导出所建立的球体数字曲面模型需要满足半径长度、球面积大小、点云数据均匀分布的密度拟合条件公式：

据这三个条件方程式，解算出区块各截面对应的模拟点云数据分布总量∑m_j。

注：N是区块外表面空间点云数据分布量

其中，所述的步骤(6)通过区块形态模型拆解估算区块范围空间体积，具体包括：

a)区块形态拆解:利用空间分割切面方程过滤后形成的空间点云数据组所建立的区块空间范围，用区块中心点与各截面轮廓线构建的曲面，可以将区块空间范围分解成若干个与截面对应的锥体与一个挖缺体；

b)锥体体积:运用锥体体积公式对区块各截面对应锥体体积估算：

c)挖缺体体积估算:由于采用了三维激光扫描技术，可根据区块表面上高密度连续均匀分布的实际点云数据分布量与模拟点云数据分布总量，利用点云数据分布量空间占比关系采用采用曲面模型均分法，运用不规则体体积极限估算公式(3)进行区块挖缺体的体积估算：

d)锥体与挖缺体间隙体积估算：同样采用曲面模型均分法对锥体与挖缺体间隙进行体积估算：

e)区块范围空间体积估算：区块范围空间体积等于挖缺体、各锥体及其间隙体积总和：

V_q＝V_w+ΣV_k+ΣV_g (12)

注：N是区块外表面空间点云数据分布量，m_j是区块截面对应的球冠模拟数据点分布量，l_j是区块中心点到该截面距离,f_j是区块截面轮廓线上空间数据点的数量，s_j是区块截面积其中，所述的步骤(7)矿体动用范围矿产资源消耗量评估，具体包括：

a)根据动用矿体形态及矿体中矿石类型质量分布情况划分的区块范围空间体积，结合区块范围内矿石体重与质量品位数据，评估出矿体开采中区块范围所消耗矿产资源矿石量及有益组分量；

b)重复以上步骤，估算出矿山开采中矿体动用范围内各区块所消耗矿产资源矿石量及有益组分量，然后通过数理统计评估出矿山企业开采中矿产资源的消耗总量。