三維激光掃描技術(shù)在礦山地下采空區(qū)測量中的應(yīng)用

楊亮亮

（新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司 哈密 839000）

0 引言

礦山地下采空區(qū)是由人工開采，在礦山區(qū)域內(nèi)地下形成的暴露面積較大的空場，在地下受空間限制，空區(qū)黑暗不容易觀察，采空區(qū)形成形狀不規(guī)律。采空區(qū)由于施工生產(chǎn)放炮震動(dòng)等影響，采空區(qū)容易發(fā)生塌陷，采空區(qū)暴露表面較大，有一定的空高等，一旦塌陷產(chǎn)生震動(dòng)波對正在井下生產(chǎn)工作中的人員有危險(xiǎn)，井下正在運(yùn)行的相關(guān)精密設(shè)備設(shè)施也會受到損壞，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人生安全重大隱患。因此，采用三維激光掃描儀探測測量采空區(qū)形狀，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穿透性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)勢，通過三維激光掃描儀進(jìn)行采空區(qū)測量獲取采空區(qū)內(nèi)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量十分龐大，通過這些海量數(shù)據(jù)處理，使用軟件建模，能夠清晰完整的了解采空區(qū)內(nèi)的形狀、信息等。

1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描儀主要由7個(gè)部件組成：發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、濾光鏡、控制電路板、微電腦及相關(guān)軟件等組合而成。三維激光掃描儀主要利用了電子激光測距儀的原理，首先通過電子計(jì)量系統(tǒng)從發(fā)射激光信號到接受到反射信號的時(shí)間差計(jì)算出測量數(shù)據(jù)的目標(biāo)與測量儀器之間的直線距離S，再根據(jù)儀器內(nèi)部安裝的測量計(jì)算系統(tǒng)獲得激光的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度的觀測值φ（如圖1所示）。

圖1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描儀在工程過程中所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會自動(dòng)生成一個(gè)局部坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系統(tǒng)是以三維激光掃描儀的定位中心坐標(biāo)為點(diǎn)，并以掃描儀內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)水平面設(shè)定X，Y 為軸，垂向方向設(shè)定為Z 軸。因此測量數(shù)據(jù)的目標(biāo)點(diǎn)為相對坐標(biāo)值（X，Y，Z），計(jì)算公式如下

2 礦山現(xiàn)狀及面臨的主要問題分析

隨著國家的繁榮發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求量越來越大，目前我國不少礦產(chǎn)正處在中長期發(fā)展階段，礦區(qū)地表有建筑物、簡易公路、礦石、廢石場等基礎(chǔ)設(shè)施，部分礦山經(jīng)過多年的開采，地下已形成了很多采空區(qū)，有部分采空區(qū)已塌陷，環(huán)境治理不容樂觀。礦山采空區(qū)如發(fā)生大面積塌陷，地表也就會隨之發(fā)生塌陷、開裂等，就會導(dǎo)致地表生態(tài)壞境的嚴(yán)重破壞，于此同時(shí)塌陷就會造成井下空區(qū)內(nèi)空氣氣壓壓縮，涌出沖擊波，就會對周圍的設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞，若是井下有人正在施工開采作業(yè)，就會對人員造成嚴(yán)重的生命安全威脅。礦區(qū)在雨水較多地方，開采較長時(shí)間礦區(qū)，采空區(qū)內(nèi)會形成有積水情況，出現(xiàn)采區(qū)塌陷事故，會對礦區(qū)造成嚴(yán)重的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

3 三維激光掃描技術(shù)在礦山地下采空區(qū)測量中的應(yīng)用

隨著測繪設(shè)備不斷的在發(fā)展更新，無人機(jī)三維激光掃描儀技術(shù)在地下采空區(qū)測繪探索中具有很好的推廣研究價(jià)值與前景應(yīng)用，井下采空區(qū)空間較復(fù)雜，成形不規(guī)則，井下無GPS 信號等環(huán)境影響，井下無人機(jī)飛行工作時(shí)信息采集與定位、無人機(jī)自主避障系統(tǒng)、規(guī)劃及航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)設(shè)備軟件的研究、無人機(jī)智能控制等相關(guān)技術(shù)都還存在許多疑難問題及挑戰(zhàn)。

（1）井下無人機(jī)掛載三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集、反饋與智能控制技術(shù)。井下無人機(jī)無法接收到GPS信號，只能依靠制導(dǎo)系統(tǒng)（IMU）對高精度慣性的飛行狀態(tài)和飛行速度設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行定位，采集的數(shù)據(jù)精度也存在誤差，無法滿足無人機(jī)自主飛行智能控制系統(tǒng)，對采空區(qū)暴露面積大、深度較高的空區(qū)，無人機(jī)無法能實(shí)現(xiàn)自主飛行探測采空區(qū)。

（2）井下無人機(jī)掛載的三維激光掃描儀自主避障技術(shù)。目前，井下采空區(qū)傳統(tǒng)測量不能滿足生產(chǎn)需要，主要還是通過無人機(jī)掛載三維激光掃描儀或者普通三維激光掃描儀來進(jìn)行采空區(qū)探測，三維掃描儀通過激光測距來實(shí)現(xiàn)自我避障功能，改變了方法雖然速度快、精度高，它適用于簡單較規(guī)則的環(huán)境障礙，在面對井下無規(guī)則，突發(fā)障礙難以躲避時(shí)，容易發(fā)生撞機(jī)事故。在無法實(shí)現(xiàn)自主飛行功能時(shí)，主要還是依靠測量人員或無人機(jī)操作人員來手動(dòng)操作完成三維激光掃描儀作業(yè)，由于受到采空區(qū)空間局限性影響，空區(qū)內(nèi)粉塵較大、視線較差導(dǎo)致掃描探測工作時(shí)作業(yè)難度增大。因此，急需要攻克井下采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)自主避障技術(shù)，提高設(shè)備的安全性，降低操作難度。

（3）井下無人機(jī)的航線規(guī)劃技術(shù)。目前無人機(jī)航線規(guī)劃在地表已成熟應(yīng)用，但是在井下由于受采空區(qū)空間復(fù)雜環(huán)境等信息的影響不能完全自主的規(guī)劃航線，這對搭載無人機(jī)三維激光掃描儀的規(guī)劃需進(jìn)行研究。無人機(jī)在采空區(qū)內(nèi)飛行作業(yè)過程中出現(xiàn)避障需要立即進(jìn)行處理的任務(wù)或障礙物時(shí)，人為預(yù)設(shè)的全局路徑規(guī)劃難以及時(shí)控制無人機(jī)，這就對設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，為此目前急需要開展對采空區(qū)內(nèi)航線規(guī)劃需研究探討。

（4）井下三維激光掃描儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸性能，井下無法接受到GPS信號，缺少信息驗(yàn)證，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，使無人機(jī)搭載三維激光掃描儀能夠在采空區(qū)內(nèi)作業(yè)，能夠安全高效的運(yùn)行是關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)傳輸過程中井下信號弱受環(huán)境的影響干擾等，距離傳輸受限制，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，為能實(shí)現(xiàn)長距離在復(fù)雜的壞境下數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，在采空區(qū)內(nèi)無人機(jī)能夠自主安全高效的工作，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定的傳輸和智能設(shè)備配套技術(shù)研究。

（5）采空區(qū)無人機(jī)搭載三維激光掃描儀智能控制、控制算法、環(huán)境感知等技術(shù)的研究。目前市場上無人機(jī)的視覺系統(tǒng)不是很成熟。針對井下采空區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，三維激光掃描儀利用空間位置計(jì)算法、特征檢測驗(yàn)證法、圖像差分算法、智能優(yōu)化探索算法等，來開展井下采空區(qū)作業(yè)過程中智能控制、實(shí)時(shí)環(huán)境感知等，能夠完全自主的飛行規(guī)劃探測測繪工作。

（6）井下無人機(jī)搭載三維激光掃描儀能力以及無人機(jī)續(xù)航時(shí)間。在采空區(qū)無人機(jī)三維激光掃描儀在工作中，無人機(jī)需要搭載三維激光掃描儀、光學(xué)CD傳感器、配備紅外攝像，機(jī)子本身自帶的電池，這會使無人機(jī)的載重增加，在作業(yè)工程中，對無人機(jī)的飛行續(xù)航時(shí)間造成較大影響，在作業(yè)過程中因載重原因設(shè)備運(yùn)行存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，解決無人機(jī)搭載三維激光掃描儀的載重和延長續(xù)航作業(yè)是現(xiàn)在需解決的技術(shù)。

4 結(jié)語

本文主要針對目前礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀面臨的問題進(jìn)行分析，提出無人機(jī)搭載三維激光掃描儀在礦山采空區(qū)的使用，無人機(jī)存在的缺陷需技術(shù)攻關(guān)問題，提出先進(jìn)測繪設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方式，新的測量方法的優(yōu)勢，為解決礦山安全隱患提出了有效依據(jù)。為今后的礦山開采以及環(huán)境治理提供建議。