三維激光掃描在非煤礦山生產(chǎn)的應用

隋建政， 陳 濤， 李全明， 張 紅(中國安全生產(chǎn)科學研究院， 北京 100012)

1 前言

三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過發(fā)射激光束形成大量激光點掃描被測物體，來獲取被測物體表面三維坐標形成點云數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)對實物的逆向建模。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，使用RTK或全站儀對物體表面進行單點測量，只獲得物體特征點和控制點坐標數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件繪制和渲染建模，測量點稀疏、效率低，難以呈現(xiàn)復雜的礦山信息。三維激光掃描技術(shù)為實景復制技術(shù)，每秒可測量數(shù)百萬個點，并且采用非接觸測量，具有速度快、精度高、真實感強，不受表面復雜程度影響等特點，可快速掃描礦山表面獲得三維點云數(shù)據(jù)，并形成分辨率的礦山數(shù)字模型[1]。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)應用于各行各業(yè)，也為礦山未來生產(chǎn)和安全管理提供了技術(shù)支撐。

2 三維激光掃描對在礦山中的應用前景

2.1 構(gòu)建智慧礦山

利用三維激光掃描技術(shù)獲取礦區(qū)地上建筑物和工業(yè)設(shè)施，地下巷道、硐室、工作面、采空區(qū)以及通風排水等設(shè)施的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合其他三維數(shù)據(jù)，如三維地質(zhì)、水文等，借助現(xiàn)有的商業(yè)軟件，像micromine和3Dmine將各種三維數(shù)據(jù)整合處理，形成一幅完整的礦區(qū)地上、地下數(shù)字立體圖，實現(xiàn)數(shù)字礦山。在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、物理模擬技術(shù)、人工智能技術(shù)等可完成智慧礦山的搭建。智慧礦山可以為礦山的生產(chǎn)管理、應急演練、應急救援、標準化培訓等提供全面的應用[2]。

2.2 提升生產(chǎn)和安全管理水平

隨著我國礦產(chǎn)資源開發(fā)強度加大，開采技術(shù)不斷提高，需要更高效的生產(chǎn)管理輔助系統(tǒng)。三維模型不僅給領(lǐng)導和管理人員決策提供了直觀可視化參考，也更加便于技術(shù)人員在礦體開采、井巷布置方案上進行設(shè)計，也為施工人員快速理解方案設(shè)計意圖提供幫助。用平面圖紙讓每位礦山工作者理解復雜的設(shè)計方案有很大的難度，利用三維技術(shù)向工作人員講解就比較容易溝通，易于理解。同時為巷道中的工作人員導航、人員和設(shè)備的定位提供位置數(shù)據(jù)支持，能夠幫助工作人員準確到達工作地點，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠迅速到達就近避險點。

近年來，國家對礦山安全生產(chǎn)的要求越來越高，但是礦山安全事故預警與防治技術(shù)相對而言仍處于落后狀態(tài)，與國家的要求還有差距。

例如地下采空區(qū)，由于采礦方法、開采措施的不同，造成采空區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，采空區(qū)可能導致礦震、空氣沖擊波、巖爆、地面塌陷等多種災害形式。采空區(qū)造成的危害是制約礦山發(fā)展及正常生產(chǎn)經(jīng)營的一大難點。利用激光三維掃描，可以準確的獲得采空區(qū)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，確定采空區(qū)的方位及分布，頂板面積和實際邊界等結(jié)構(gòu)信息，為采空區(qū)的穩(wěn)定分析、危害辨識、風險評估及后期采空區(qū)的填充處理提供了可視化的數(shù)據(jù)支持。

在三維巷道模型中嵌入安全監(jiān)測傳感器的實際坐標，當某處檢測信息出現(xiàn)異常時，隱患事故點可以做到立體可視化安全監(jiān)測。如變形點、透水點、塌方點等。

在三維模型的基礎(chǔ)上，可以進行透水水淹模擬，采空區(qū)塌陷、空場冒頂、尾礦庫壩體變形等模擬，為制定應急預案提供科學依據(jù)，也能為事故救援工作提供準確的空間位置數(shù)據(jù)。

露天采礦區(qū)多陡峭地形，不穩(wěn)定山體等，對于測量人員來說安全隱患較大。坍塌主要因為露天礦山邊坡失穩(wěn)和破壞所致，由于露天采礦開挖了礦巖，必然在其周圍形成邊坡。這些邊坡可能在暴雨、地下水、地震、爆破震動、重載車輛通行時，會使其局部(或大部)失去穩(wěn)定，產(chǎn)生滾石、滑坡、坍塌等而形成危害。通過三維激光掃描可以獲得邊坡實時數(shù)據(jù)，從而計算出邊坡型變量、滑坡方向和速度等數(shù)據(jù)，以此來掌握邊坡的變化規(guī)律，對邊坡安全監(jiān)測及評價有著重要意義。

3 礦區(qū)三維掃描實例

3.1 采空區(qū)掃描

利用采空區(qū)掃描探頭可對地下采空區(qū)空間進行三維測量。探頭由激光發(fā)射器和內(nèi)置攝像機組成，利用激光脈沖并輔以精密微機電陀螺等技術(shù)對地下空間進行自動掃描，從而獲得采空區(qū)的高密度點云數(shù)據(jù)。探桿有多種方式可以將伸入采空區(qū)，根據(jù)不同的情況具體操作方式不同。一般情況下，通過在采空區(qū)地表鉆孔的方式垂直鉆入采空區(qū)，探頭連接延長探桿伸入采空區(qū)即可進行掃描。若井下中段作業(yè)，由于采空區(qū)與巷道之間的連接洞口情況復雜，洞口處布滿滑落的碎石難以立足，采空區(qū)頂部隨時有掉落石塊的危險，無法靠近洞口作業(yè)。可以將探桿固定到叉車上利用叉車加探桿的方式輔助完成掃描工作[3]，具體如圖1所示。掃描后的點云結(jié)果可以用軟件計算出采空區(qū)的體積、表面積、高度等參數(shù)，具體如圖2所示。

圖1 采空區(qū)中段利用叉車探入探桿掃描

圖2 采空區(qū)三維點云數(shù)據(jù)

3.2 巷道掃描

礦井地下巷道的三維激光掃描相對于對采空區(qū)的掃描要更加容易操作。采用手持式或背包便攜式三維激光掃描儀即可對巷道內(nèi)部空間進行720°全景掃描，快速準確的獲得高質(zhì)量的三維空間掃描數(shù)據(jù)，三維實景圖如圖3所示。一般情況下，操作員只需手持或背包掃描儀在巷道中進行掃描即可獲取巷道點云數(shù)據(jù)。在掃描作業(yè)前，由于地下巷道空間結(jié)構(gòu)復雜，儀器設(shè)備一次性工作時間有限，為了避免走重復路線，節(jié)省掃描作業(yè)時間，在掃描作業(yè)前，需要對掃描的行進路線和掃描進程做合理的規(guī)劃。在掃描過程中，路過的工人和車輛，巷道里的水氣、霧氣以及粉塵都是干擾因素。在掃描行進過程中首先要對井下的情況做好預判，如果遇到來往的工人和車輛在不可避免的情況下可以將掃描儀的掃描盲點背對移動物，避免掃描到非采集對象[4]。如果井下霧氣或粉塵過重影響激光掃描儀的工作，目前在數(shù)據(jù)采集過程中還沒有好的解決辦法，但在可在后期對點云處理的過程中進行去噪或補點等操作來完善模型，具體如圖4所示?？傮w來說，礦井巷道環(huán)境密閉，巷道墻壁粗糙色暗，是三維激光掃描測量的絕佳工作環(huán)境。

圖3 巷道內(nèi)部三維實景圖

圖4 巷道3D模型

3.3 露天礦坑及礦區(qū)掃描

由于露天礦坑占地面積大，環(huán)境開闊，礦區(qū)內(nèi)建筑物高大以及工業(yè)設(shè)施多樣性，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場量測很難準確完成測繪。采用無人機搭載激光雷達替代傳統(tǒng)測量是必由之路，通過自動或者手動控制無人機的方式，對地物進行飛行掃描測量可以快速獲得高精度點云。利用無人機搭載激光雷達方式，首先要做好外業(yè)踏勘，綜合考慮地形地貌、續(xù)航時間、測區(qū)面積等因素，然后對航線進行優(yōu)化設(shè)計。無人機搭載激光雷達是對地上復雜環(huán)境快速精確測量的利器，是實現(xiàn)對露天礦區(qū)三維建模最有效方法[5]，具體如圖5所示。

圖5 無人機掃描邊坡點云數(shù)據(jù)

3.4 后期點云拼接

礦區(qū)構(gòu)成成分復雜，對礦區(qū)地上地下、室內(nèi)室外等不同場景采用的不同測量設(shè)備，各種設(shè)備采集的點云數(shù)據(jù)都是獨立的，需要對不同場景的點云進行拼接才能獲得一幅完整的礦區(qū)點云模型。通常情況下，點云模型的拼接有兩種方法。一種方法是在掃描過程當中掃描出兩個銜接場景的公共區(qū)域，后期拼接點云時找到公共部分并進行拼接；另一種方法是加入坐標點，在掃描的過程中同時測量出物體的相應坐標，在后期處理時利用坐標來實現(xiàn)多個場景的拼接。在掃描過程中，如果發(fā)生了掃描遺漏點或盲區(qū)點的情況，如無人機高空激光掃描作業(yè)中，地面高大的房屋或樹木對目標物造成了遮擋會產(chǎn)生盲區(qū)。后期發(fā)現(xiàn)這種情況后，可采用手持式掃描儀對缺失部分進行人工補點掃描。多種設(shè)備配合工作來實現(xiàn)對整個礦區(qū)的點云數(shù)據(jù)進行搭建，也是點云拼接的重要技術(shù)手段。

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)能夠為礦山生產(chǎn)和未來發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。三維激光掃描以及三維建模技術(shù)已經(jīng)廣泛的用于許多行業(yè)，如智慧工廠、VR博物館、VR景點漫游、房地產(chǎn)營銷等，都為行業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟效益。采礦類傳統(tǒng)行業(yè)也應當與時俱進，吸收新的技術(shù)和理念，讓新技術(shù)助力礦山生產(chǎn)向著無人化和智能化發(fā)展。