基于三維激光掃描技術(shù)的金屬礦山采空區(qū)測(cè)量精度研究

（朔州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036002）

1 技術(shù)原理

技術(shù)管理是利用極坐標(biāo)測(cè)量有效獲取被測(cè)對(duì)象的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。近些年來，傳統(tǒng)掃描方式一般是云計(jì)算，通過對(duì)物體表面掃描獲得具有陳列特點(diǎn)的幾何圖形三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描設(shè)備有效組合了目標(biāo)激光測(cè)距設(shè)備與角度測(cè)量系統(tǒng)，迅速測(cè)量復(fù)雜空間現(xiàn)場(chǎng)中的物體，直接獲取與激光點(diǎn)密切聯(lián)系的物體水平方向、斜距和反射強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)，自行存儲(chǔ)和計(jì)算，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在一千多米的距離中完成測(cè)量，并獲得每秒十幾萬的掃描頻率，利用TCP/IP協(xié)議將掃描數(shù)據(jù)成功傳輸至計(jì)算機(jī)，通過USB數(shù)據(jù)線將場(chǎng)景圖像傳輸?shù)诫娔X，然后計(jì)算機(jī)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，聯(lián)系CAD重新設(shè)計(jì)被測(cè)物體的三維模型[1]。

2 技術(shù)系統(tǒng)組成

2.1 主機(jī)開發(fā)

在技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用中掃描主機(jī)是重要零部件，憑借徑向軸掃描電機(jī)，進(jìn)一步獲得采空區(qū)的三維整體形態(tài)，科學(xué)計(jì)算變形量。

2.2 伸縮機(jī)構(gòu)

要想智能化監(jiān)控采空區(qū)域，就需要研發(fā)出能夠全自動(dòng)伸縮的設(shè)備。掃描儀處于工作狀態(tài)時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)對(duì)主機(jī)發(fā)揮帶動(dòng)作用向采空區(qū)邊界移動(dòng)，然后掃描采空區(qū)；當(dāng)實(shí)施測(cè)量以后，掃描主機(jī)憑借伸縮機(jī)構(gòu)向儲(chǔ)藏室自行轉(zhuǎn)回，避免對(duì)設(shè)備造成破壞。

2.3 遠(yuǎn)距離智能化控制

系統(tǒng)有效結(jié)合有線、無線建立綜合網(wǎng)井下通訊系統(tǒng)，憑借地面數(shù)據(jù)智能化控制井下設(shè)備，并且獲得精度較高的監(jiān)測(cè)采空區(qū)變形數(shù)據(jù)。

2.4 識(shí)別與計(jì)算變形區(qū)域

采空區(qū)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，形成大規(guī)模的盲區(qū)，可以根據(jù)八叉樹的不同時(shí)段點(diǎn)云形變計(jì)算方法，設(shè)計(jì)形變點(diǎn)特性，憑借八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)科學(xué)查找數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，引入形變點(diǎn)容器，由于點(diǎn)云在采空區(qū)出現(xiàn)了很多差異點(diǎn)，絕不是變形點(diǎn)。因此，需要憑借濾波算法達(dá)到處理目標(biāo)，保存形態(tài)真正區(qū)域[2]。

3 技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

3.1 動(dòng)態(tài)管理采空區(qū)邊界

精準(zhǔn)把握邊界信息對(duì)管理采空區(qū)、開采礦體、設(shè)計(jì)巷道等發(fā)揮了巨大的作用。采空區(qū)體積、頂板面積范圍、孔區(qū)可靠性發(fā)生了直接聯(lián)系，同時(shí)，也為安全性憑借提供了主要數(shù)據(jù)。利用三維激光掃描技術(shù)能夠直接對(duì)采空區(qū)及巷道面積和體積進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建三維實(shí)體模型，全面呈現(xiàn)礦體、斷層、采空區(qū)等關(guān)鍵的工程，并提升設(shè)計(jì)的高效性。疊加處理若干次掃描數(shù)據(jù)可以精準(zhǔn)體現(xiàn)采空區(qū)的真實(shí)變化，科學(xué)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域。

（1）計(jì)算掃描數(shù)據(jù)。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行體積與頂面面積計(jì)算，構(gòu)建三維模型，明確實(shí)際礦柱邊界，科學(xué)利用探測(cè)數(shù)據(jù)，從而為采空區(qū)填充、設(shè)計(jì)礦柱爆破、控制與計(jì)算回采貧損提供合理化指導(dǎo)，全面掌控采空區(qū)穩(wěn)定性，為安全管理工作發(fā)揮巨大作用。

（2）分析掃描數(shù)據(jù)。對(duì)采空區(qū)面積、體積、高度等信息及時(shí)掌握，從而更好的評(píng)價(jià)采空區(qū)安全性，設(shè)計(jì)填充采空區(qū)，控制損失指數(shù)等，利用軟件結(jié)合模型精準(zhǔn)計(jì)算采空區(qū)數(shù)據(jù)。

通過分析比較某金屬礦盤采空區(qū)模型和平剖面回采設(shè)計(jì)了解到：第一，開采盤區(qū)采場(chǎng)的高度不足，爆破以后產(chǎn)生的頂柱尚未采落，真實(shí)采場(chǎng)高度明顯低于設(shè)計(jì)高度，難以順利回收這部分材料。第二，在采場(chǎng)北側(cè)、南側(cè)位置頂板和邊幫產(chǎn)生較大的垮落，實(shí)際采礦量明顯比設(shè)計(jì)高，關(guān)鍵原因是爆破和巖石破碎。這一采空區(qū)產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的垮塌，應(yīng)不斷加強(qiáng)安全管理，盡快填充采空區(qū)。

第三，鄰近采場(chǎng)也出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的垮塌，導(dǎo)致二者發(fā)生貫通產(chǎn)生巨大的采空區(qū)，對(duì)后期安全生產(chǎn)和監(jiān)管工作產(chǎn)生威脅，在一定程度上影響了生產(chǎn)建設(shè)的速度。

3.2 數(shù)字化管理

地下開采形成的大規(guī)模采空區(qū)對(duì)發(fā)展數(shù)字化礦山造成巨大的安全威脅，直接影響了人員與社會(huì)的安全性，不利于開展正常的經(jīng)營工作。

怎樣對(duì)采空區(qū)的形態(tài)大小與邊界精確把握，獲得合理化的處理方案，全面掌控安全威脅，是迫切需要解決的安全生產(chǎn)問題。

三維激光掃描技術(shù)憑借非接觸式測(cè)量的特性提高了探測(cè)效率，這一技術(shù)對(duì)分布區(qū)域進(jìn)行有效明確，從而獲得良好的貫通關(guān)系，憑借處理后的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建有關(guān)的數(shù)字模型，充分明確采空區(qū)的體積與實(shí)際邊界，達(dá)到可視化計(jì)算這一區(qū)域的目標(biāo)，更好的保證數(shù)字化礦山建設(shè)工作。

3.3 激光掃描儀

激光掃描儀的工作原理是利用二極管使激光脈沖發(fā)送信號(hào)，憑借探測(cè)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)棱鏡，把脈沖信號(hào)射向目標(biāo)并對(duì)激光脈沖信號(hào)有效接收，通過記錄儀實(shí)施記錄以后，借助軟件進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生可以有效識(shí)別的數(shù)據(jù)，從而有效輸出實(shí)體建模。

采取地面三維激光掃描技術(shù)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行掃描，在水平與垂直方向上設(shè)計(jì)分散裝置有效測(cè)量特定實(shí)體部分。掃描操作中，任何一個(gè)站點(diǎn)都能夠得到很多點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過極坐標(biāo)方式整體描述任意點(diǎn)的位置信息。

而通過一幅掃描難以全面體現(xiàn)實(shí)體信息，這就要求在不同位置進(jìn)行多幅掃描，如此就會(huì)出現(xiàn)拼接匹配多幅掃描結(jié)果，利用三維激光掃描儀可以獲取每一站的掃描數(shù)據(jù)。

要想在一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系下重構(gòu)不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)，可以開展點(diǎn)云拼接工作。當(dāng)掃描不同位置時(shí)，采取內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機(jī)成功采集掃描實(shí)體的影像數(shù)據(jù)，將邊緣位置信息與彩色紋理信息提供給點(diǎn)云。

這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)綜合結(jié)構(gòu)與形態(tài)特點(diǎn)實(shí)際進(jìn)行描述，根據(jù)這部分點(diǎn)利用逆向軟件迅速通過三維模型，達(dá)到三維重建的目標(biāo)。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在外界因素的影響時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了降低采集數(shù)據(jù)精度的問題，不利于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。其中誤差包括偶然誤差與系統(tǒng)誤差。在測(cè)量操作中掃描儀表現(xiàn)出發(fā)散特點(diǎn)，激光束向?qū)嶓w反射的脈沖波分辨率不高，相應(yīng)地就會(huì)影響操作水平。

4 結(jié)語

采空區(qū)設(shè)計(jì)三維掃描智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在一定程度上提高了測(cè)量采空區(qū)的精確度，達(dá)到了智能化監(jiān)測(cè)采空區(qū)的目的。通過分析說明，系統(tǒng)對(duì)三維改變形態(tài)有效監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)測(cè)量難以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的問題，對(duì)強(qiáng)化測(cè)量精度和開采金屬礦山發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。