SLAM三維激光掃描技術在采空區(qū)測量中的應用探討

林寶琪

（安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001）

地下礦山在煤炭開采過后會形成許多形態(tài)各異且規(guī)模不等的采空區(qū)，采空區(qū)的存在會對礦井安全生產造成隱患，同時嚴重影響礦井后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃。隨著對礦井生產要求的不斷提高，傳統(tǒng)的井下測量技術已經難以滿足當前對采空區(qū)管理和隱患治理的需要[1-2]。同時定位與建圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM） 三維激光掃描技術能夠對地下采空區(qū)進行精確掃描，準確獲取采空區(qū)的空間位置、形態(tài)、體積以及形變等三維立體數據，所獲取的數據能夠作為地下采空區(qū)健康安全生產、管理規(guī)劃以及提出的治理方案科學合理性的依據[3]。

1 傳統(tǒng)的井下測量技術

傳統(tǒng)的井下測量大多采用經緯儀測角、鋼尺量邊以及水準儀測高的方式來獲取采空區(qū)的地理數據。傳統(tǒng)的井下測量不僅要求測量人員要具有過硬的測量技術，而且要通過靈活變換測量方式來應對井下復雜多變的測量環(huán)境，并確保最終測量結果符合井下測量規(guī)范要求，還要細心耐心不怕麻煩，實時關注井下環(huán)境的微小變化[4]。表1、表2、表3 為傳統(tǒng)的井下測量的技術要求，包括觀測限差和精度要求等。

表1 經緯儀導線水平角觀測限差 （″）

表2 垂直角觀測精度要求 （每1 km水準測量）

表3 水準測量精度要求

由于井下測量不同于地面測量，井下導線是隨井下巷道的掘進而逐步敷設的，因此隨著采掘工作的進行，測量對象的空間位置將不斷發(fā)生變化，并且井下巷道的方位難以根據其他物體判斷，在不同開采水平的測點間也不相互通視，這使得傳統(tǒng)的井下測量受限于采空區(qū)的復雜形態(tài)以及測量環(huán)境，將導致采空區(qū)測量工作量大，所得數據精度低，難以獲取真實的采空區(qū)空間信息[5]。

2 SLAM三維激光掃描技術

SLAM三維激光掃描技術主要依靠SLAM算法，因此所使用的SLAM算法的好壞決定了最終解算出的SLAM三維激光掃描系統(tǒng)在空間中的移動軌跡的精準度，而解算出的移動軌跡的精準度又決定了所獲取的空間場景三維立體數據的精準度。當進行掃描作業(yè)時，三維激光掃描儀根據測量人員預先設定的線路對掃描目標發(fā)射激光束，以進行全方位、無死角的掃描，再根據三維激光掃描儀所獲取的三維立體數據在時間軸上共同的特征點以及慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU） 所獲取的系統(tǒng)姿態(tài)數據，計算出掃描儀與掃描目標之間的距離以及目標點位于空間中的位置，最終逆向構建出連續(xù)的空間場景模型[6-7]。

3 SLAM三維激光掃描技術的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的井下測量技術相比，SLAM三維激光掃描技術具有以下優(yōu)勢[8]。

1） 使用SLAM三維激光掃描技術進行測量時，無需架設反射棱鏡，并且不需要對掃描目標的表面進行任何處理，就可以直接獲取掃描目標的精確的三維立體數據，這種非接觸式的測量方式可避免測量人員長時間停留或靠近危險區(qū)域，作業(yè)安全。

2） 相比于傳統(tǒng)的井下測量技術，SLAM三維激光掃描技術的采樣點速率高，可在1 s內采集到數千點甚至數十萬點的數據。

3） SLAM三維激光掃描技術可通過三維激光掃描儀主動發(fā)射掃描激光，不受限于井下復雜的環(huán)境，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來計算出與掃描目標之間的距離以及掃描目標的空間數據。

4） 使用SLAM三維激光掃描技術快速獲取的采空區(qū)精度高、數據量巨大且數據更加完整，經過數據處理得到的采空區(qū)三維模型精度更高、更準確，更接近于實際現(xiàn)場。

5） 操作簡單，可僅由一人完成全部的測量工作，節(jié)省大量的人力物力。

6） 可將采集的數據導入到專用的數據處理軟件中進行快速處理，無需長時間等待數據成圖。

7） 傳統(tǒng)的井下測量工作的高效進行受限于井下沒有全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS） 覆蓋的環(huán)境條件，而SLAM三維激光掃描技術可以解決這個難題并進行實時移動式的測量以采集采空區(qū)的數據。

4 SLAM三維激光掃描技術在采空區(qū)測量中的應用

近年來，隨著采礦方法的變革以及更加高效的設備的運用，為破解傳統(tǒng)的井下測量效率低、誤差大、難以準確反映采空區(qū)真實形態(tài)的難題，越來越多的礦山企業(yè)開始尋找一種新的技術以實現(xiàn)井下測量方式的轉變。SLAM三維激光掃描技術可高效快速獲取滿足數字化礦山要求的高精度三維立體模型，這一特點使得該技術被逐步引進到井下采空區(qū)的測量工作中[9]。

1） 采空區(qū)體積計算。使用礦山專用軟件處理SLAM三維激光掃描技術獲取的采空區(qū)數據，計算出采空區(qū)體積，并為生產驗收、礦井采礦量核定、超欠挖量計算、采空區(qū)回填等提供數據支持[10]。

2） 采空區(qū)安全監(jiān)測和評價?？赏ㄟ^對獲取的多期采空區(qū)數據進行對比，進一步分析采空區(qū)的形變，快速定位出采空區(qū)中危巖體的位置與體積；獲得的采空區(qū)數據可協(xié)助礦山安全、地質、生產等部門做出合理的判斷，提出安全的決策，有效規(guī)避井下地質災害的發(fā)生[11]。

3） 采礦設計與維護。依靠SLAM三維激光掃描技術獲取的數據可建立起精確的采空區(qū)三維模型，并且將其應用于采礦設計、回填、監(jiān)測、管理等礦山一體化工作，可有效避免使用傳統(tǒng)的井下測量方式所得數據生成的二維圖紙或模擬的采空區(qū)模型相比于真實采空區(qū)存在遺漏或描述有誤的地方所帶來的影響[12]。

4） 數字化礦山。傳統(tǒng)的井下測量數據多采用圖紙等實體介質進行存儲，經過長時間的使用，造成圖紙變形等結果，使得數據偏離實際，且不便于修改和調用；SLAM三維激光掃描技術可獲取數字化數據，用于建設各地區(qū)的井下測量數據庫和礦山模型，為采礦安全生產提供資料，便于各部門調用決策，減少事故的發(fā)生，也可為科研人員的研究提供數據來源[13-14]。

5 結束語

精確地測量采空區(qū)形態(tài)與分析采空區(qū)殘留煤炭資源總量是發(fā)展礦井安全、高效、可持續(xù)生產的有力手段。使用單點式與抽檢式的傳統(tǒng)勘測手段進行井下測量，很容易發(fā)生關鍵數據信息丟失的情況；而SLAM三維激光掃描技術能夠更完整、準確地獲取采空區(qū)的空間位置、形態(tài)、體積以及形變等數據，為礦井的安全生產和礦山的發(fā)展規(guī)劃提供保障。綜上所述，SLAM三維激光掃描技術在地下礦山采空區(qū)測量中具有很好的應用價值與推廣前景。