基于SLAM技術(shù)移動(dòng)式三維激光掃描儀在礦山井下測(cè)量中的應(yīng)用

0 引言

隨著礦業(yè)信息化的發(fā)展，數(shù)字化礦山正向信息集成、裝備智能、決策科學(xué)、綜合應(yīng)用的方向發(fā)展，數(shù)字化礦山建設(shè)已經(jīng)成為礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路。其中，礦山測(cè)量包括地面和井下，尤其對(duì)于礦山井下測(cè)量，為查清礦山開采現(xiàn)狀，特別是狹長(zhǎng)封閉且內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜的井下巷道掘進(jìn)情況，準(zhǔn)確指導(dǎo)礦山企業(yè)自覺安全生產(chǎn)、守界開采，是貫穿整個(gè)數(shù)字化礦山建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)緯儀、全站儀結(jié)合RTK技術(shù)等傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)手段所采集數(shù)據(jù)成果無法準(zhǔn)確完整呈現(xiàn)礦山的開采現(xiàn)狀，滿足不了數(shù)字化礦山安全生產(chǎn)與建設(shè)的要求，而三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)精確測(cè)量的局限，具有連續(xù)、快速、非接觸、自動(dòng)、全天候工作等優(yōu)勢(shì)，可以大面積地采集礦山內(nèi)部的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此基于三維激光掃描儀獲取高精度高分辨率的數(shù)學(xué)模型，為礦山安全生產(chǎn)、安全性評(píng)價(jià)的可靠性以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山建設(shè)提供豐富多樣的基礎(chǔ)資料。

1 SLAM基本原理

SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，意為“同步定位與地圖構(gòu)建”。它不依賴衛(wèi)星信號(hào)，在封閉有限空間內(nèi)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)式的測(cè)量，快速進(jìn)行礦山采空區(qū)的數(shù)據(jù)采集。它由激光掃描儀、慣性測(cè)量單元與SLAM算法三個(gè)主要要素組成，其核心技術(shù)為SLAM算法。

該算法主要是決定了解算出的高動(dòng)態(tài)移動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)度，移動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)度決定了空間場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。SLAM算法根據(jù)激光測(cè)距儀所獲得三維數(shù)據(jù)中時(shí)間軸上共同的特征點(diǎn)加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)解算設(shè)備從出發(fā)點(diǎn)移動(dòng)的距離、角度信息、逆向構(gòu)建連續(xù)的空間場(chǎng)景數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 SLAM技術(shù)路線圖

2 三維激光掃描儀在礦山井下測(cè)量中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

礦山井下開采巷道結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)部四通八達(dá)，沒有通信訊號(hào)，沒有天然光源，地面潮濕，而且礦山往往正處在生產(chǎn)狀態(tài)，列車往來運(yùn)輸?shù)V石。受空間狹長(zhǎng)、通視條件差，無衛(wèi)星信號(hào)，不易設(shè)站等復(fù)雜因素影響，傳統(tǒng)礦山井下測(cè)量手段對(duì)新開挖的巷道的空間位置、形態(tài)、變形觀測(cè)等三維立體數(shù)據(jù)未能予以正確及時(shí)獲取。為滿足礦山安全生產(chǎn)要求，發(fā)揮數(shù)字化礦山實(shí)時(shí)管控開挖管理作用，需要對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，獲取井下礦山開采現(xiàn)狀的精確三維信息。但利用傳統(tǒng)常規(guī)的測(cè)繪儀器無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪或者效率低下，需重復(fù)設(shè)站和轉(zhuǎn)站，測(cè)量精確度也難于滿足新的要求。

三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測(cè)量的方法，為快速重建整個(gè)構(gòu)筑物的全部空間幾何特征，以點(diǎn)云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息，并可以逼真地保留被掃描對(duì)象的紋理。目前，三維激光掃描儀有很多種選擇，大多為進(jìn)口設(shè)備。其中，GeoSLAM ZEB-HORIZON移動(dòng)式三維激光掃描儀作業(yè)方式靈活，僅用一人就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)，作業(yè)時(shí)間短，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性。有效解決了傳統(tǒng)作業(yè)方式儀器設(shè)備組裝困難，不方便操作、時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低等難題。

同傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法相比，三維激光掃描技術(shù)具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①數(shù)據(jù)采集速度快，外業(yè)時(shí)間短；②數(shù)據(jù)量大，精確度高；③主動(dòng)性強(qiáng)，不依賴光照；④處理自動(dòng)化，信息傳輸快；⑤表達(dá)容易，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含空間坐標(biāo)信息，同時(shí)還包含點(diǎn)位的屬性信息。由此可見，三維激光掃描技術(shù)對(duì)于在進(jìn)行狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)的礦山井下測(cè)量工作要比傳統(tǒng)測(cè)量方法具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3 GeoSLAM ZEB-HORIZON移動(dòng)式三維激光掃描儀礦山井下測(cè)量應(yīng)用實(shí)踐

某項(xiàng)目需要進(jìn)行湖南某金礦山井下+180水平測(cè)量，巷道長(zhǎng)度約500米，需要掌握新開采巷道的開采現(xiàn)狀。根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，在掃描前，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，規(guī)劃行走路徑，分區(qū)形成閉合環(huán)，保證有一定的掃描重疊度，對(duì)巷道進(jìn)行掃描，獲得高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)合地表布設(shè)的4個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)控制點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，開展移動(dòng)式三維激光掃描儀在礦山井下測(cè)量的應(yīng)用研究，包括內(nèi)業(yè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接融合、切面處理和平面圖繪制等。礦山井下測(cè)量一體化流程如圖2所示。

圖2 礦山井下測(cè)量一體化流程圖

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次投入外業(yè)人員1名，設(shè)備一套。外業(yè)操作簡(jiǎn)單，一鍵開機(jī)30秒完成初始化后，背上放有電池和數(shù)據(jù)記錄器的背包，平穩(wěn)拿起掃描頭，按規(guī)劃的線路勻速行進(jìn)，就可以在走動(dòng)中完成掃描，其掃描測(cè)程100米，點(diǎn)云相對(duì)精度優(yōu)于±3cm，飛螢相機(jī)實(shí)時(shí)記錄掃描過程中所拍攝到的影像信息，通過后處理可以使點(diǎn)云帶有彩色紋理信息或者作為輔助識(shí)別井下構(gòu)筑物及生產(chǎn)設(shè)備位置與現(xiàn)狀的依據(jù)。如圖3所示。

圖3 掃描行進(jìn)斷面圖

3.2 點(diǎn)云拼接融合

GeoSLAMZEB-HORIZON設(shè)備掃描完成后，數(shù)據(jù)通過U盤自動(dòng)下載，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和參數(shù)設(shè)置，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GeoSLAM Hub軟件進(jìn)行自動(dòng)解算，自動(dòng)化程度高，無需人工干預(yù)。對(duì)多段已轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的分段掃描數(shù)據(jù)，需進(jìn)行拼接融合，融合后需進(jìn)行噪點(diǎn)剔除及數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理，增加點(diǎn)云的可視化效果，如圖4所示。

圖4 巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接圖

3.3 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GeoSLAM ZEB-HORIZON設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)是相對(duì)的，需要轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)，需在各分段掃描的巷道兩端布設(shè)控制點(diǎn)，掃描時(shí)將基準(zhǔn)版放置在控制點(diǎn)上靜止5秒，系統(tǒng)便可自動(dòng)記錄該控制點(diǎn)的參考點(diǎn)位。為避免轉(zhuǎn)換誤差累積，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算采用仿射變換方式。最后通過GeoSLAM HUB軟件進(jìn)行校正坐標(biāo)即可，軟件自動(dòng)生成轉(zhuǎn)換后的相對(duì)精度報(bào)告。

3.4 依據(jù)點(diǎn)云成圖

完成數(shù)據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，將符合精度要求的點(diǎn)云導(dǎo)入到GeoSLAM Draw軟件進(jìn)行點(diǎn)云編輯制圖。當(dāng)同步影像與點(diǎn)云相匹配之后，可以查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體3D效果，也可以以2D效果圖顯示，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還能夠以RGB真彩色來顯示，與最終成果圖對(duì)比起來會(huì)顯得更加的直觀有效，可以清楚查看巷道開挖的現(xiàn)狀情況。也可以將點(diǎn)云模型插入到CAD軟件中，根據(jù)點(diǎn)云輸出正攝影像文件，提取坐標(biāo)，平剖面切割，繪制線劃圖DLG等，如圖5、圖6所示。

圖5 巷道實(shí)體模型圖

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與常規(guī)測(cè)量套合圖

3.5 精度評(píng)定

為了驗(yàn)證GeoSLAMZEB-HORIZON移動(dòng)式三維激光掃描儀的精度，對(duì)正在開采的某小段巷道已知采礦石量進(jìn)行體積測(cè)算，驗(yàn)證哪種測(cè)量手段更加接近真實(shí)值。通過分類提取巷道的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)集，如巷道頂上布設(shè)的控制點(diǎn)等，并采用傳統(tǒng)的全站儀等常規(guī)測(cè)量手段對(duì)其精度進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，對(duì)掃描精度進(jìn)行了評(píng)定，并對(duì)其誤差進(jìn)行分析。為了保證真實(shí)值的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采空區(qū)礦石的體重進(jìn)行了重新測(cè)算，獲取該巷道礦石體重為：2.66噸/立方米。

通過使用GeoSLAM掃描儀和全站儀結(jié)合RTK兩種手段對(duì)采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)情況如表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

使用三維激光掃描儀測(cè)量的結(jié)果，與真實(shí)值只相差了6.3噸，而且掃描時(shí)間更短，獲取點(diǎn)數(shù)更多，如果測(cè)量更大的采空區(qū)，精度會(huì)更高。結(jié)果證明移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)完全能夠滿足礦山井下測(cè)量的精度要求，為三維激光掃描技術(shù)在礦山的推廣應(yīng)用提供了借鑒。

4 結(jié)語

綜上所述，相對(duì)于全站儀結(jié)合RTK等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，本文分析了基于SLAM技術(shù)移動(dòng)式三維激光掃描儀在礦山井下測(cè)量原理和方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)則礦山井下開采巷道測(cè)量方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧的GeoSLAMZEBHORIZON移動(dòng)式三維激光掃描儀更具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省成本，提高效率，精度更高，增創(chuàng)收益。進(jìn)一步完善礦山實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的開采監(jiān)管體系，努力實(shí)現(xiàn)礦山科學(xué)管理以及數(shù)字化礦山的建設(shè)。同時(shí)，GeoSLAM ZEB-HORIZON三維激光掃描儀還可支持多種平臺(tái)搭載使用，以滿足其它更復(fù)雜的測(cè)繪環(huán)境需求，真正做到物盡其用。