三維激光掃描技術(shù)在礦山井下采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用

熊大鵬，張居科

（金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100070）

礦山井下的生產(chǎn)區(qū)域?yàn)槿斯げ删騾^(qū)域。在采礦后，礦區(qū)井下形成大面積的裸露，形成相對(duì)空曠的區(qū)域。井下工作區(qū)域由于受空間限制，并且在黑暗區(qū)域，導(dǎo)致不易看到采空區(qū)的形狀。同時(shí)，采空區(qū)受施工和生產(chǎn)過(guò)程的影響極易發(fā)生坍塌事故。如果發(fā)生冒頂事故，頂板下沉?xí)a(chǎn)生巨大的振動(dòng)波，危及在井下工作人員的安全，并且破壞精密設(shè)備，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)礦企的正常生產(chǎn)造成極大的安全隱患。因此，礦企在采礦時(shí)，需要精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)，本文通過(guò)三維激光掃描技術(shù)提高測(cè)量的精確度，為采礦的安全提供保障。

1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描儀由發(fā)射器、接收器、濾波器、控制電路板及相關(guān)軟件等組成。該技術(shù)的工作原理是利用電子激光測(cè)距儀的原理，其通過(guò)電子測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合激光信號(hào)對(duì)測(cè)量目標(biāo)物的發(fā)射和反射信號(hào)接收所用的時(shí)間差，計(jì)算出相關(guān)測(cè)量的數(shù)據(jù)，以及目標(biāo)與儀器間的直線距離，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)，進(jìn)而得到側(cè)掃描角α和縱向掃描角φ（如圖1所示）。三維激光掃描儀在應(yīng)用的過(guò)程中，以三維激光掃描儀中心坐標(biāo)為點(diǎn)，坐標(biāo)系的水平面為坐標(biāo)系，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并形成精確的局部坐標(biāo)系。掃描儀水平方面分別設(shè)置X軸和Y軸，設(shè)置Z軸為垂直方向的坐標(biāo)軸[1]。

圖1 三維激光掃描原理圖

2 利用三維激光掃描儀進(jìn)行井下測(cè)量的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)

三維激光掃描儀的測(cè)量和建模，比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的測(cè)量操作非常簡(jiǎn)單，單人可獨(dú)立完成測(cè)量任務(wù)，并在短時(shí)間內(nèi)采集到井下工程情況的數(shù)據(jù)，提高了工程測(cè)量的效率。同時(shí)，完整反映井下的空間形狀，以及將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維軟件緊密對(duì)接，為數(shù)字化管理提供三維數(shù)據(jù)支持。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)配合第三方軟件，有效驗(yàn)證超開(kāi)挖的工程量，為中深井采礦提供水平剖面圖和整個(gè)工程模型。但其缺點(diǎn)是在缺少相關(guān)控制點(diǎn)的情況下，需要依靠人工進(jìn)行拼接，因此，在測(cè)量中必然存在一些偶然的誤差，降低了精度。另外，通過(guò)利用三維激光掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與云數(shù)據(jù)的融合。采用云數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建三維可視化模型，通過(guò)兩臺(tái)測(cè)量設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以相同的格式保存，在LAS格式中，對(duì)三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的切割，獲取絕對(duì)坐標(biāo)下的高密度點(diǎn)。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山井下采空區(qū)測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用

隨著測(cè)繪設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描儀技術(shù)在礦山井下采空區(qū)地下測(cè)繪中發(fā)揮了重要作用。由于井下采空區(qū)較為復(fù)雜，且形狀不規(guī)則，不能收到GPS信號(hào)。因此，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行井下測(cè)量作業(yè)，合理航線規(guī)劃，完成采集信息與定位。礦山測(cè)繪技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備軟件研究、控制智能無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn)[2]。

3.1 進(jìn)行數(shù)據(jù)收集

控制目標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。在掃描過(guò)程中，巷道內(nèi)不同位置要設(shè)置多個(gè)測(cè)量目標(biāo)，至少有3個(gè)共同目標(biāo)點(diǎn)，且不能在一條線上。如果技術(shù)人員設(shè)置多個(gè)航路點(diǎn)，不得在同一平面上。設(shè)置目標(biāo)時(shí)，注意測(cè)量目標(biāo)的位置，確保掃描站的可見(jiàn)性，并且為每個(gè)測(cè)量目標(biāo)建立唯一的標(biāo)識(shí)，其有助于測(cè)量人員在收集數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理并找到相同的點(diǎn)位，保證正確的參數(shù)，在統(tǒng)一標(biāo)系下獲得站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

在操作中，通過(guò)在控制點(diǎn)設(shè)置質(zhì)量目標(biāo)，有效提取目標(biāo)坐標(biāo)值。在設(shè)置的過(guò)程中，確保朝向控制點(diǎn)中心，然后檢查附近安裝的掃描儀，并與目標(biāo)一起掃描。通過(guò)該方法將地面上的控制點(diǎn)坐標(biāo)傳遞到地下，得到地下目標(biāo)的坐標(biāo)和拐點(diǎn)坐標(biāo)。在數(shù)據(jù)收集的過(guò)程中，需要保證測(cè)量系統(tǒng)位于同一坐標(biāo)系中，避免超出系統(tǒng)限制。同時(shí)，在選定的站點(diǎn)上設(shè)置掃描儀，要正確調(diào)設(shè)備的姿勢(shì)。在對(duì)采空區(qū)掃描時(shí)，站間的距離必須大，從而使設(shè)備掃描的面積更大。如果存在過(guò)多的重疊和區(qū)域會(huì)帶來(lái)大量的數(shù)據(jù)冗余，增加掃描和處理的時(shí)間。在收集時(shí)，為有效收集井下礦山的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)有足夠的重疊區(qū)域。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)該快速記錄，以檢查數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如果出現(xiàn)誤差應(yīng)重新掃描質(zhì)量較差地段的數(shù)據(jù)。

3.2 巷道結(jié)構(gòu)平面識(shí)別與信息提取

基于三維激光掃描點(diǎn)，云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的識(shí)別和信息提取，分為全自動(dòng)和半自動(dòng)的方法。全自動(dòng)方法通過(guò)計(jì)算機(jī)快速獲取點(diǎn)，并在云模型中形成相關(guān)信息，全程無(wú)需操作人員進(jìn)行干預(yù)。而半自動(dòng)方法通過(guò)人工操作和計(jì)算機(jī)的相結(jié)，識(shí)別測(cè)量目標(biāo)的結(jié)構(gòu)平面，其測(cè)量分析結(jié)果存在一定的主觀性。在井下巷道進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，無(wú)法從結(jié)構(gòu)面以及圍巖狀態(tài)準(zhǔn)確區(qū)分爆破造成的缺陷。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件多采用半自動(dòng)方法，完成結(jié)構(gòu)平面識(shí)別和相關(guān)信息的提取。具體步驟如下：首先，處理巖石表面的點(diǎn)云模型和平面圖數(shù)碼相機(jī)拍攝的表面進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)。在點(diǎn)云模型中，選擇對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)表面積，根據(jù)得到結(jié)構(gòu)表面積的出現(xiàn)次數(shù)，生成最大的兩點(diǎn)的平面作為結(jié)構(gòu)表面直徑。選擇識(shí)別出的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合圖像識(shí)別和分割算法，在指定模型區(qū)域，識(shí)別出與所選結(jié)構(gòu)面斜率相似的結(jié)構(gòu)面集合，同時(shí)過(guò)濾掉平面集中的無(wú)效光柵平面，實(shí)現(xiàn)選擇未識(shí)別但有代表性的平面數(shù)據(jù)。并不斷重復(fù)前面的步驟，以此提高提取巷道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于激光掃描儀的視線和主觀人為因素的影響，結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)須對(duì)軌跡和長(zhǎng)度進(jìn)行校正，然后利用PointStudio軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能，得到坐標(biāo)（x，y，z），以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)面的斜率、傾角以及方向，結(jié)構(gòu)平面和數(shù)據(jù)元素從點(diǎn)云中的數(shù)據(jù)獲得，以及明確了解結(jié)構(gòu)表面的暴露面積和幾何信息。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和拼接

激光掃描儀在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，由于受周圍環(huán)境的影響，常存在一些誤差點(diǎn)，統(tǒng)稱為噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)會(huì)影響構(gòu)建的井下模型的精度。技術(shù)人員在使用該技術(shù)的過(guò)程中，需要從點(diǎn)云中去除噪聲的影響。由于系統(tǒng)點(diǎn)云的復(fù)雜性，除了利用軟件去噪功能外，還要通過(guò)技術(shù)人員手動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和去除噪聲點(diǎn)，去除無(wú)效數(shù)據(jù)，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。由于井下巷道復(fù)雜和面積大，在掃描中得到的巷道數(shù)據(jù)不夠全面。因此，工作人員根據(jù)實(shí)際情況，在不同的角度以及不同的位置進(jìn)行多次掃描。同時(shí)，將掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與測(cè)量目標(biāo)相結(jié)合，并且通過(guò)拼接得到全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4 詳細(xì)記錄井下坐標(biāo)系

考慮測(cè)量目標(biāo)的準(zhǔn)確性，并計(jì)算出巷道邊界部分的儲(chǔ)量，因此，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，先將地面控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移到井下測(cè)量區(qū)域。首先，通過(guò)識(shí)別測(cè)量區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)目標(biāo)的坐標(biāo)，結(jié)合井下控制點(diǎn)以及目標(biāo)坐標(biāo)，對(duì)區(qū)域測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并且根據(jù)傳輸?shù)目刂泣c(diǎn)坐標(biāo)和掃描得到的測(cè)量目標(biāo)坐標(biāo)，進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算分割，分割后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，進(jìn)而將分割數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)。如果目標(biāo)坐標(biāo)與控制點(diǎn)坐標(biāo)之間誤差較大，需要重新匹配系統(tǒng)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

為了便于建模，簡(jiǎn)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的壓縮。同時(shí)，由于掃描儀得到的數(shù)據(jù)一般為離站點(diǎn)越近數(shù)據(jù)越密集，反之越遠(yuǎn)數(shù)據(jù)越分散，因此，調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的間距，從5cm調(diào)為10cm，以此減少冗余量，并且有效提高了系統(tǒng)模型的質(zhì)量。

3.5 通過(guò)安裝無(wú)人機(jī)上進(jìn)行井下測(cè)量

由于采空區(qū)的空間限制，其粉塵量非常大，視線較差，給掃描工作增加了極大的難度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的測(cè)量方法無(wú)法有效完成井下采空區(qū)的測(cè)繪工作，因此，通過(guò)無(wú)人機(jī)配合激光掃描儀實(shí)現(xiàn)檢測(cè)采空區(qū)的功能，可以有效避開(kāi)井下的障礙物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。該方法具備使用快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但是一般情況下，其僅適用于簡(jiǎn)單且采空區(qū)比較規(guī)則的環(huán)境。然而，當(dāng)無(wú)人機(jī)無(wú)法自主飛行時(shí)，需要依靠勘技術(shù)人員對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行手動(dòng)操作，完成掃描采空區(qū)。該技術(shù)有效提高了設(shè)備使用的有效率，降低技術(shù)人員的操作難度，提高了采礦的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)和姿態(tài)的要求不高，其完美地適應(yīng)井下高溫、高濕的工作環(huán)境，其收集的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)能滿足井下礦山測(cè)量的要求，在采礦行業(yè)具有較高的推廣價(jià)值。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工操作的科學(xué)配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的識(shí)別和幾何信息的提取，并且無(wú)需使用羅盤設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行記錄。本文技術(shù)與傳統(tǒng)勘查技術(shù)相比，激光掃描的平面數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，更加專注于巷道及采空區(qū)的力學(xué)特性和地質(zhì)成因，為井下應(yīng)力分析提供了精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。