無人機三維激光掃描技術在地下采空區(qū)探測中的應用研究

李杰林 楊承業(yè) 胡 遠 周科平 張孝平 劉銳凱，

（1.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南 戛灑 653405；3.天河道云（北京）科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在采用空場法或嗣后充填法開采的地下金屬礦山，廣泛分布著形態(tài)各異且空間規(guī)模不等的采空區(qū)。采空區(qū)的存在極易引發(fā)大規(guī)模透水、坍塌、冒落等災害，致使礦山開采條件惡化，因此采空區(qū)是礦山亟需治理的危險源之一［1，2］。由于地下采空區(qū)的位置、空間形態(tài)、規(guī)模往往異常復雜，在采空區(qū)處理過程中，實現(xiàn)空區(qū)三維形態(tài)的精準探測［3，4］，可為制定安全、有效的采空區(qū)治理方案提供可靠依據(jù)。

近年來，采空區(qū)三維激光掃描技術已在礦山領域得到了廣泛應用，通過三維激光掃描，可高效、準確地獲取空區(qū)表面的點云數(shù)據(jù)，從而構建采空區(qū)的真實三維形貌。目前，國內應用廣泛的采空區(qū)探測系 統(tǒng) 主 要 有 CMS［5，6］、VS150［7］、CAL-S［8］以 及MAPTECK［9］等。利用這些采空區(qū)探測系統(tǒng)，國內開展了眾多的采空區(qū)探測及采空區(qū)處理技術研究，如過江等［10］提出了以三維激光探測技術為基礎的空區(qū)探測新方法，并在廣西銅坑礦與高峰礦開展了現(xiàn)場試驗研究，精確測量了大廠礦區(qū)的采空區(qū)三維參數(shù)；楊福斗［11］等采用CMS采空區(qū)探測系統(tǒng)與Flac3D數(shù)值模擬軟件相結合的方式，對南溫河鎢礦采空區(qū)及礦柱穩(wěn)定性進行評價，驗證了采空區(qū)內人工混凝土假柱的安全性；王瑞等［12］基于三維激光掃描技術，利用探測點云數(shù)據(jù)和炮孔設計數(shù)據(jù)建立了采空區(qū)三維模型及采場設計模型，并運用布爾計算方式計算出采場充填量。

這些三維激光掃描系統(tǒng)在采空區(qū)探測及處理領域發(fā)揮了重要作用，但其弊端和不足也逐漸顯現(xiàn)出來，比如設備操作人員需靠近或進入采空區(qū)進行架站測量，測量過程中存在較大的危險性；即便是采用延伸桿探入方式進行測量，也存在著測量距離過遠、存在測量盲區(qū)和測量精度差等問題，尤其是面對高大采空區(qū)、礦柱、存窿礦堆、冒落巖體等，采空區(qū)形態(tài)難以進行精確掃描，導致部分空區(qū)的點云數(shù)據(jù)不完整，從而影響采空區(qū)形貌探測的準確性。

隨著無人機與信息技術的發(fā)展，一種無人機三維激光掃描技術（UAV-Lidar）得到了研究人員的廣泛關注，通過利用無人機的機動性與靈活性，采用無人機搭載三維激光掃描儀對目標進行全方位掃描，操作人員無需進入危險區(qū)域即可完成掃描作業(yè)，這種利用無人機遙感測量與三維激光掃描相結合的手段［13-15］，可以有效解決傳統(tǒng)三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)缺失難題，從而獲得精確的采空區(qū)形態(tài)。目前，受限于無人機井下通信、環(huán)境感知、自主飛行、自動避障等技術的限制，無人機三維激光掃描技術多用于地表地形測量［16，17］，而在地下金屬礦山中的應用還處于探索階段。

本文在介紹無人機三維激光掃描作業(yè)原理、作業(yè)流程作業(yè)優(yōu)勢等基礎上，以云南大紅山鐵礦為試驗礦山開展了井下采空區(qū)無人機三維激光掃描應用研究，并對無人機三維激光掃描在采空區(qū)探測應用中的挑戰(zhàn)與難點進行了討論。

1 井下無人機三維激光掃描技術簡介

1.1 設備組成與作業(yè)原理

井下無人機三維激光掃描系統(tǒng)構成與工作原理如圖1所示。無人機三維激光掃描設備主要由無人機平臺與機載三維激光掃描儀組成（見圖1（a）），二者經過系統(tǒng)化集成，構成了二位一體的無人機三維激光掃描系統(tǒng)。通過機載三維激光掃描儀的高精度慣性制導系統(tǒng)（圖1（b））即可實時獲取無人機的飛行速度、飛行姿態(tài)以及飛行軌跡等參數(shù)，同時配合基于激光測距的自主避障功能，實現(xiàn)井下無GPS信號環(huán)境下的智能飛行探測；激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)的具體原理可參考文獻［6］，機載三維激光掃描儀每秒可獲取數(shù)十萬點云數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi發(fā)射器可實時傳輸測量數(shù)據(jù)至接收設備，并同步到存儲設備中。

1.2 井下無人機三維激光掃描作業(yè)流程

井下無人機三維激光掃描作業(yè)流程如圖2所示，通過在探測作業(yè)點開展無人機三維激光掃描，并將所獲取的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)導入至配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件中。在點云數(shù)據(jù)處理軟件中進行點云數(shù)據(jù)的抽稀、坐標矯正與轉換、點云誤差處理以及點云模型的構建。點云數(shù)據(jù)的具體處理過程可參考文獻［17］，最后基于點云數(shù)據(jù)構建出采空區(qū)的實測模型。

1.3 無人機三維激光掃描作業(yè)在采空區(qū)探測中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的空區(qū)點云數(shù)據(jù)與采用無人機三維激光掃描探測后的空區(qū)點云數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

可以看出，傳統(tǒng)三維激光掃描方式所獲取的點云數(shù)據(jù)（圖3（a））在局部區(qū)域存在點云缺失與點云稀疏現(xiàn)象，這是由于傳統(tǒng)的架站式或延伸桿式三維激光掃描方法受限于采空區(qū)的復雜形態(tài)與探測環(huán)境，無法對采空區(qū)實施精確掃描，使得部分探測“盲區(qū)”的點云數(shù)據(jù)存在缺失或數(shù)據(jù)點不足的問題，從而影響采空區(qū)實測模型的精確度。通過采用無人機三維激光掃描探測后，其探測的點云數(shù)據(jù)（圖3（b））彌補了探測“盲區(qū)”的點云數(shù)據(jù)，從而使得三維采空區(qū)實測模型更能真實地反映出采空區(qū)的實際形態(tài)。

無人機三維激光掃描技術在采空區(qū)探測中的優(yōu)勢主要有以下三點：①能全面、精確地掃描采空區(qū)，獲取的點云數(shù)據(jù)量更充分、完整，從而提高采空區(qū)模型的準確性和可靠性；②在探測過程中，測量人員始終位于安全區(qū)域，無需靠近或進入采空區(qū)，作業(yè)安全；③探測速度快，可在短時間內完整、高效、安全地完成采空區(qū)三維激光掃描作業(yè)。

因此，無人機三維激光掃描技術在地下礦山采空區(qū)探測中將具有廣闊的應用前景。

2 應用實例

云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦Ⅱ-1主礦體的采礦方法為空場法，經過多年的開采，形成了大量的采空區(qū)，同時還遺留了大量的殘礦資源。為開展井下殘礦與采空區(qū)安全協(xié)同治理，使用架站式、手持式三維激光掃描的方式對Ⅱ-1礦體系列采空區(qū)開展了三維激光測量作業(yè)，已探明采空區(qū)數(shù)量累計21個，其中775中段的775-1采空區(qū)測量體積最大，高達44萬m3，其三維激光掃描結果如圖4所示。

由于775-1采空區(qū)的東北角頂部巷道被冒落礦石封堵，人員和設備無法接近采空區(qū)開展探測作業(yè)，從而導致部分區(qū)域的點云數(shù)據(jù)缺失（圖4（a）），影響采空區(qū)模型的精確性；此外，由于該采空區(qū)體積過大，且空區(qū)形態(tài)與賦存形式較為復雜，探測距離過遠，無法全面獲得采空區(qū)底部的探測數(shù)據(jù)，所獲得的點云數(shù)據(jù)較為稀疏。

為保證775-1采空區(qū)探測結果的準確性，以該采空區(qū)為試驗對象，使用大疆M600無人機平臺搭載翼目神HM100便攜式機載三維激光掃描儀，對775-1采空區(qū)的東北角頂部與采空區(qū)底部開展無人機三維激光掃描工作（圖4（b））。根據(jù)無人機探測獲取的點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)處理軟件將無人機掃描數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)三維激光掃描數(shù)據(jù)進行結合（圖4（c）），并建立了775-1采空區(qū)實測模型（圖4（d））?？梢钥闯?，通過無人機三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)能更全面、精確地展示775-1采空區(qū)的形態(tài)。

3 井下無人機三維激光掃描應用的技術挑戰(zhàn)

無人機三維掃描技術在地下礦采空區(qū)探測中具有很好的推廣價值與應用前景，但受限于井下無GPS信號環(huán)境以及復雜不規(guī)則的采空區(qū)形貌，在無人機飛行信息采集與定位、無人機自主避障、無人機自主航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、無人機設備研發(fā)、無人機智能控制算法等關鍵技術方面還存在許多難點與挑戰(zhàn)。

（1）井下無人機飛行信息采集、反饋與智能控制技術。由于井下無法接收GPS信號，僅依靠高精度慣性制導系統(tǒng)（IMU）對無人機的飛行姿態(tài)、飛行速度、設備狀態(tài)等信息進行定位，存在一定的數(shù)據(jù)精度誤差，無法滿足長距離自主飛行的無人機智能控制，在面對跨度較大、深度較深的采空區(qū)時無法實現(xiàn)完全的自主飛行探測。而井下無人機飛行信息的精確采集與定位，是井下復雜空區(qū)環(huán)境下無人機智能飛行探測的基礎。

（2）井下無人機的自主避障技術。目前，無人機在采空區(qū)飛行探測中主要是通過三維激光掃描儀的激光測距來實現(xiàn)自我避障功能，該方法雖然精度高、速度快，但更適用于簡單規(guī)則的環(huán)境障礙，在面對井下不規(guī)則、突發(fā)障礙時難以及時躲避，容易發(fā)生無人機碰撞事故。因此，在無法實現(xiàn)無人機的自主飛行功能時，通常是由測量人員手動操控無人機進行三維掃描作業(yè)，由于采空區(qū)內視線差、粉塵濃度高，導致探測作業(yè)的操作難度大大增加。因此，亟需攻克井下采空區(qū)復雜環(huán)境下的無人機自主避障技術，提高設備的安全性，降低操作難度。

（3）井下無人機航線自主規(guī)劃技術。本試驗中利用了傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的結果來對無人機自主飛行航線進行全局規(guī)劃，但受限于井下采空區(qū)復雜環(huán)境，無人機在采空區(qū)內飛行過程中出現(xiàn)需要立即處理的任務或障礙物時，人為預設的全局路徑規(guī)劃難以及時控制無人機，因此亟需開展井下采空區(qū)復雜環(huán)境下的無人機全局與局部航線規(guī)劃研究。

（4）井下無人機數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸技術。由于井下無GPS信號、缺乏環(huán)境先驗信息，穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)傳輸，是無人機設備在采空區(qū)三維掃描探測作業(yè)中安全高效運行的關鍵。此外，受到井下環(huán)境的信號干擾與信號傳輸距離的限制，為實現(xiàn)長距離復雜環(huán)境下的空區(qū)無人機自主探測作業(yè)，亟需開展井下無人機與其配套智能設備之間的通訊傳輸技術研究，實現(xiàn)采空區(qū)探測無人機掃描設備的通訊與數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

（5）采空區(qū)探測無人機環(huán)境感知、控制算法與智能控制關鍵技術研究?；谀壳盁衢T的無人機視覺導航系統(tǒng)［18-20］，針對井下采空區(qū)的復雜環(huán)境，利用空間位置解算算法、圖像差分算法、特征檢測算法、以及智能優(yōu)化搜索算法來開展無人機井下采空區(qū)探測作業(yè)過程中的實時環(huán)境感知、智能控制研究，最終實現(xiàn)井下采空區(qū)無人機的完全自主飛行掃描探測。

（6）井下無人機搭載能力及續(xù)航時間。在采空區(qū)無人機三維掃描探測中，無人機不僅需要攜帶三維掃描儀，還需配備紅外攝像、光學CCD等傳感器設備，對無人機平臺的外接口數(shù)量和兼容性有很高要求，同時搭載設備的增加會使無人機重量增大，對無人機的飛行能力和續(xù)航時間造成較大影響，因此，如何解決無人機的搭載能力和延長續(xù)航時間是井下無人機采空區(qū)探測系統(tǒng)需解決的關鍵技術。

4 結 論

（1）簡述了無人機三維激光掃描技術原理與作業(yè)流程，將傳統(tǒng)三維激光掃描方式與無人機三維激光掃描獲得的空區(qū)點云數(shù)據(jù)進行對比，分析出無人機三維激光掃描技術在地下礦山采空區(qū)探測中的優(yōu)勢。

（2）以云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦為試驗礦山，采用無人機三維激光掃描技術對Ⅱ-1礦體775-1采空區(qū)進行掃描，最終構建出更為精準的775-1采空區(qū)實測模型。

（3）討論了無人機三維激光掃描技術的困難和挑戰(zhàn)。相信隨著技術的進步和發(fā)展，無人機三維激光掃描具有高效、靈活、安全等特點，在采空區(qū)探測方面具有巨大的應用前景。

致 謝感謝玉溪大紅山礦業(yè)有限公司為本項目的無人機三維激光掃描技術采空區(qū)探測提供試驗場地，并提供了采空區(qū)的相關基礎數(shù)據(jù)。