三維激光掃描技術(shù)在礦山超深越界治理中的應(yīng)用*

劉 君

(湖南省地質(zhì)測(cè)繪院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也越來(lái)越多。2012年我國(guó)提出的“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”戰(zhàn)略決策很大程度的遏制了粗放型的礦產(chǎn)資源開采，但由于我國(guó)可采的礦山資源大幅減少，而礦產(chǎn)資源的產(chǎn)量減少導(dǎo)致礦產(chǎn)資源價(jià)格越來(lái)越高，大量企業(yè)在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下肆意開采礦山資源，大量開采礦山資源的背后是超深越界的現(xiàn)象越來(lái)越多。礦山超深越界行為不僅破壞、浪費(fèi)資源，造成嚴(yán)重的安全隱患和地質(zhì)災(zāi)害隱患，還損害了國(guó)家或其他礦山企業(yè)的權(quán)益。

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)量領(lǐng)域中近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，能夠快速、高精度獲取目標(biāo)地物的三維坐標(biāo)信息，真正實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方式中環(huán)境惡劣、地勢(shì)危險(xiǎn)難以到達(dá)的困難地區(qū)具有顯著優(yōu)勢(shì)。利用三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可以生成高精度的三維模型，利用三維模型套用開采紅線可以迅速、準(zhǔn)確的量算超深越界的體積。為此，本文以湖南某采石場(chǎng)超深越界測(cè)量工作為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在礦山超深越界治理中應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 項(xiàng)目概況

根據(jù)湖南省國(guó)土資源廳下發(fā)的《湖南省礦山超深越界監(jiān)督檢查三年專項(xiàng)行動(dòng)方案》通知精神，進(jìn)一步完善礦山監(jiān)管共同責(zé)任制度，進(jìn)一步夯實(shí)地質(zhì)礦產(chǎn)執(zhí)法監(jiān)察工作基礎(chǔ)，及時(shí)制止和嚴(yán)肅查處超深越界開采行為，建立健全規(guī)范有序、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的地質(zhì)礦產(chǎn)執(zhí)法監(jiān)管體系，自2016年起利用3年時(shí)間集中開展全省礦山超深越界監(jiān)督檢查。

該省某市自然資源和規(guī)劃局計(jì)劃在2017年度工作的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展非煤礦山超深越界監(jiān)督測(cè)量、打非治違專項(xiàng)行動(dòng)。通過(guò)開展監(jiān)督測(cè)量工作，有助于切實(shí)摸清礦山開采情況特別是井下巷道情況，建立完善全市礦山企業(yè)信息檔案和監(jiān)管平臺(tái)。

本文以該市某地下采石場(chǎng)的測(cè)量工作為例，介紹三維激光掃描技術(shù)在礦山超深越界治理中的應(yīng)用。該采石場(chǎng)成立于2008年04月，其采礦時(shí)間較為久遠(yuǎn)，地下采礦面積約54畝，新的采礦許可證即將到期，本次超深越界測(cè)量可以有效監(jiān)督礦山企業(yè)是否守界開采，為管理部門提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，確保實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)在初始、解決在萌芽”的工作目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)獲取

該地下采石場(chǎng)地形環(huán)境復(fù)雜，特別是礦山巷道作業(yè)環(huán)境非常惡劣并存在危險(xiǎn)，個(gè)別地段滴水現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至存在落石情況，巷道平均寬度13.8 m，平均高度11.7 m。若使用常規(guī)地下礦山測(cè)量方法不能準(zhǔn)確獲得斷面數(shù)據(jù)，從而不能提供準(zhǔn)確的超深越界數(shù)據(jù)，而三維激光掃描測(cè)量可以獲得大量激光點(diǎn)云三維數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)軟件能快速準(zhǔn)確計(jì)算出超采部分的體積，由此可以通過(guò)三維模型形象真實(shí)的展示出超采部分的位置和實(shí)地情況。但由于巷道狹窄悠長(zhǎng)，且時(shí)常有下井礦車通過(guò)，這就對(duì)掃描設(shè)備的操作性及簡(jiǎn)便性提出了相當(dāng)高的要求，為此項(xiàng)目選用了徠卡BLK360三維激光掃描儀。該掃描儀以微型化、輕量化理念設(shè)計(jì)，機(jī)身小巧，采用氧化鋁外殼、無(wú)需整平，放穩(wěn)即工作，可以大量減少設(shè)站時(shí)間，同時(shí)機(jī)身僅重1 kg，輕便易攜，采取的是定點(diǎn)掃描方式，掃描范圍為0.6 m-60 m，掃描速度為360 000點(diǎn)/s，需要在合適的位置設(shè)站。該掃描儀3 min內(nèi)可完成全景掃描和拍照，另外，物體存在自遮擋現(xiàn)象，為了獲得完整的數(shù)據(jù)，需要對(duì)物體進(jìn)行多站掃描。

在本次數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，在統(tǒng)一分辨率的情況下對(duì)地下礦井巷道進(jìn)行了全方位的掃描。外業(yè)掃描工作人數(shù)為2人，掃描工作時(shí)間為6 h，最終獲取了528站掃描數(shù)據(jù)，單站掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)約為1 738 180 點(diǎn)，整個(gè)礦井巷道獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)超過(guò)9億點(diǎn)，累計(jì)測(cè)量巷道904 m，形成了完整的地下礦山巷道三維模型。

2.1 測(cè)站設(shè)計(jì)

測(cè)站設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮掃描區(qū)域的地形和環(huán)境因素，盡量用較少的掃描站完成整個(gè)地形的激光掃描，減少外業(yè)工作量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量。根據(jù)掃描目標(biāo)的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點(diǎn)屬性設(shè)計(jì)各掃描站和控制標(biāo)靶的位置。要求每站之間至少有3個(gè)控制標(biāo)靶重合，通過(guò)控制點(diǎn)的強(qiáng)制符合，以確定兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合所需的7個(gè)自由度，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終能夠統(tǒng)一到一個(gè)儀器坐標(biāo)系統(tǒng)下。單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖，如圖1所示。

圖1 單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖

2.2 數(shù)據(jù)采集2.2.1 控制標(biāo)靶數(shù)據(jù)采集

此次掃描沒(méi)有對(duì)控制標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描，而是在掃描的過(guò)程中在巷道不同的位置設(shè)置了多個(gè)黑白標(biāo)靶；在兩個(gè)不同測(cè)站上，至少應(yīng)該有3個(gè)公共標(biāo)靶點(diǎn)，且不應(yīng)該位于同一條直線上；如果設(shè)置了4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，那么它們不應(yīng)位于同一平面上。在設(shè)置標(biāo)靶時(shí)，應(yīng)注意標(biāo)靶的位置應(yīng)保證掃描站點(diǎn)間的通視或不要太集中，同時(shí)為每個(gè)標(biāo)靶設(shè)置唯一的標(biāo)識(shí)，這樣有利于后期處理數(shù)據(jù)時(shí)找出相同點(diǎn)，從而算出改正參數(shù)，將若干個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下。在實(shí)際操作中需要在礦井口的控制點(diǎn)上貼紙質(zhì)標(biāo)靶，要確保標(biāo)靶的靶心正對(duì)著控制點(diǎn)的標(biāo)志中心；然后在控制點(diǎn)的附近架設(shè)掃描儀，掃描時(shí)連同標(biāo)靶一起掃描；提取標(biāo)靶靶心的坐標(biāo)值，通過(guò)這樣的傳導(dǎo)，將地面上的控制點(diǎn)坐標(biāo)傳遞到井下，使得井下測(cè)量的坐標(biāo)和礦山開發(fā)許可證上的拐點(diǎn)坐標(biāo)為同一坐標(biāo)系，從而判定地下礦山開采是否超深越界。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在選取的測(cè)站上架設(shè)掃描儀，調(diào)整好儀器的姿態(tài)。通過(guò)集成的數(shù)碼相機(jī)拍攝掃描對(duì)象的影像。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)(行、列數(shù)和掃描的分辨率等)自動(dòng)進(jìn)行掃描。本次掃描的礦山巷道，既有狹長(zhǎng)的巷道，又有寬大的采空區(qū)。為了保證掃描數(shù)據(jù)有足夠的重疊區(qū)，在進(jìn)行巷道掃描時(shí)，巷道越窄掃描站之間的距離要越近；而在采空區(qū)掃描時(shí)，掃描站之間的距離要相對(duì)遠(yuǎn)一些，這樣掃描的區(qū)域及面積會(huì)更大。過(guò)多、過(guò)大的重疊區(qū)不僅會(huì)帶來(lái)過(guò)多的數(shù)據(jù)冗余，而且會(huì)增加外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)處理的時(shí)間。為完成整個(gè)地下礦山的點(diǎn)云配準(zhǔn)，要確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)相互之間有合適的重合區(qū)域。

當(dāng)天掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要及時(shí)快速配準(zhǔn)，以便檢查掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量或是否存在漏洞，對(duì)于質(zhì)量不好的掃描數(shù)據(jù)要重新掃描，在數(shù)據(jù)漏洞的地方要進(jìn)行補(bǔ)掃。

3 數(shù)據(jù)處理

完成地下礦山巷道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集以后，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能構(gòu)建三維模型。其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理具體步驟分為：

3.1 點(diǎn)云去噪

在三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于周圍物體和環(huán)境的影響，經(jīng)常會(huì)存在一定數(shù)量的差點(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)，它們被統(tǒng)稱為噪聲。噪聲點(diǎn)對(duì)模型的構(gòu)建會(huì)產(chǎn)生極大的影響，如果不將它們消除，最終構(gòu)建的實(shí)體形狀將會(huì)與實(shí)體真實(shí)形狀差距很大，嚴(yán)重影響曲面擬合的質(zhì)量和模型構(gòu)建的精度。因此，需去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪點(diǎn)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，除了使用軟件的自動(dòng)去噪功能外，還需人工識(shí)別噪點(diǎn)并去除，以確保數(shù)據(jù)的可用性。其中，人工識(shí)別去噪主要是刪除三維模型中一些不必要的數(shù)據(jù)，如：地下礦山巷道中的儀器設(shè)備，堆放物料等對(duì)構(gòu)建模型無(wú)影響的一些點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接

由于地下礦山巷道地形復(fù)雜狹長(zhǎng)且面積過(guò)大，掃描時(shí)不可能僅憑一站得到巷道所有數(shù)據(jù)，需根據(jù)巷道實(shí)際情況利用不同角度，在不同位置的進(jìn)行多次掃描，將各測(cè)站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)靶匹配，從而拼接得到一個(gè)完整的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 坐標(biāo)系統(tǒng)的配準(zhǔn)

本項(xiàng)目最終目的是精確快速的計(jì)算出巷道超深越界部分的體積儲(chǔ)量，所以必須將三維激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到礦山許可證中的拐點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，已經(jīng)將地面上的控制點(diǎn)坐標(biāo)傳遞到標(biāo)靶中心，因此首先需要識(shí)別出分區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)標(biāo)靶靶心的坐標(biāo)值，然后利用控制點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)靶坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換分區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和檢測(cè)點(diǎn)云配準(zhǔn)精度。具體做法是：根據(jù)傳導(dǎo)下來(lái)的控制點(diǎn)坐標(biāo)和三維激光掃描獲得的靶心坐標(biāo)計(jì)算分區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)，從而把分區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，參數(shù)計(jì)算時(shí)，如果靶心坐標(biāo)和控制點(diǎn)坐標(biāo)殘差過(guò)大甚至不匹配，則需重新匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化

為方便建模，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是離測(cè)站越近點(diǎn)云數(shù)據(jù)越密集，反之離測(cè)站越遠(yuǎn)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)越稀。因此，本項(xiàng)目將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度間距按照5 cm-10 cm進(jìn)行抽稀，抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不但減少了冗余，而且提高了建模的質(zhì)量。

3.5 超深越界巷道體積量算

采用徠卡自帶的Cyclone點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，先將地下礦山采礦許可證上的拐點(diǎn)坐標(biāo)輸入，提取出試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，打開Model space，將地下礦山超深越界的巷道提取出來(lái)，然后構(gòu)建TIN，選擇Tools工具欄中的Measure，選擇TIN Volume進(jìn)行體積量算，得出本項(xiàng)目超深越界巷道的體積為143.768 m3。得到礦山超深越界的巷道，如圖2所示。

圖2 礦山超深越界的巷道

4 效率、精度對(duì)比分析

本項(xiàng)目礦山巷道作業(yè)環(huán)境非常惡劣，個(gè)別地段滴水現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至存在落石情況。通過(guò)套用發(fā)證拐點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)現(xiàn)越界部分約30 m，采用傳統(tǒng)測(cè)繪手段——全站儀測(cè)量對(duì)巷道超深越界部分進(jìn)行縱橫斷面測(cè)量，以2 m為間距每個(gè)剖面采集6個(gè)點(diǎn)，耗時(shí)3 h共采集點(diǎn)180個(gè)，內(nèi)業(yè)處理時(shí)間1 h；采用三維激光掃描對(duì)巷道超深越界部分進(jìn)行全面掃描，耗時(shí)3 min共采集點(diǎn)180萬(wàn)個(gè)，內(nèi)業(yè)處理時(shí)間2 min。以上兩種作業(yè)方法所得數(shù)據(jù)精度均符合《工程測(cè)量規(guī)范》，但從效率來(lái)看，地面三維激光掃描方式在采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)、耗時(shí)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用全站儀采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)測(cè)繪方式，這不僅提高了作業(yè)效率，也節(jié)省了人力成本。另外，由于傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的方法采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，對(duì)于巷道的一些表面細(xì)節(jié)特征并不能表達(dá)出來(lái)，而三維激光掃描儀測(cè)量由于采集的點(diǎn)數(shù)較多，對(duì)于地形起伏中的細(xì)微特征都予以保留，因此利用三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的體積更為精確。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某采石場(chǎng)超深越界測(cè)量工作為例，介紹了利用三維激光掃描儀對(duì)地下礦山巷道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法。由于地下礦山巷道高低不同、錯(cuò)綜復(fù)查，且超深越界部分具有隱蔽性，利用傳統(tǒng)的測(cè)量手段難以判別，而利用三維激光掃描儀測(cè)量則可以快速、全面、準(zhǔn)確的獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，且構(gòu)建的三維模型更加直觀易懂，此外利用三維模型還可以快速準(zhǔn)確量算出礦山超深越界部分的體積。因此，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，無(wú)論是在工作效率方面還是在數(shù)據(jù)的精確性方面，都有著較大的優(yōu)勢(shì)。