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

張先慧，代祥勇

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局101 地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000；2.凱里市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，貴州 凱里 556000）

礦山地下采空區(qū)是由于自然因素或人工開采，在礦山內(nèi)部形成的“空洞”，這些“空洞”的存在十分隱蔽，不易被發(fā)覺，并且其分布基本不具備規(guī)律性[1]。采空區(qū)一旦發(fā)生塌陷，可能會對正在礦山中工作的相關(guān)人員陷入危險(xiǎn)的境地，正在運(yùn)行的相關(guān)精密設(shè)備也可能會因此收到損壞，為礦區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失與安全隱患。故而，礦山采空區(qū)的探測，是保證礦山的開采工作與后續(xù)維護(hù)工作的重要環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確了解礦山地下采空區(qū)的分布與空間形態(tài)特征，才能夠針對性地采取處理措施，消除隱患。傳統(tǒng)的礦山地下采空區(qū)的測量技術(shù)存在著精度不足的問題，往往很難準(zhǔn)確地測量出采空區(qū)的空間形態(tài)特征，為后續(xù)礦山地下采空區(qū)的處理造成不小的困擾。三維激光掃描技術(shù)是一種適用性十分廣的高新技術(shù)，尤其在建筑工程領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[2]。三維激光掃描技術(shù)是利用高速激光掃描進(jìn)行測量，具有效率高、穿透性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢，通過掃描可以獲得掃描對象表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，由于高速激光的密集性，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息十分龐大，可以通過這些海量的數(shù)據(jù)信息，復(fù)刻出模擬真實(shí)大小的三維影像模型，這種模型具有高分辨率、高精度，可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作、處理工作等提供有效幫助。本文針對礦山面臨的主要問題進(jìn)行分析，展開三維激光掃描技術(shù)，在礦山地下采空區(qū)測量中的應(yīng)用方法研究。

1 礦山現(xiàn)狀及面臨的主要問題分析

各行業(yè)的發(fā)展帶來了多種資源的消耗，礦產(chǎn)資源的需求量也在增多，我國目前不少礦區(qū)，都處于發(fā)掘中期階段，礦區(qū)地表上有著簡易公路、礦物處理場地等簡易設(shè)施，礦山經(jīng)過了一定時(shí)間的開采，內(nèi)部已經(jīng)形成了很多采空區(qū)，且部分采空區(qū)已經(jīng)發(fā)生塌陷，情況十分不樂觀。礦山地下采空區(qū)一旦發(fā)生大面積冒落，地表就會隨之產(chǎn)生下陷、開裂，導(dǎo)致地面生態(tài)被破壞，與此同時(shí)，由于塌陷造成空區(qū)內(nèi)的空氣壓縮，涌出時(shí)具有很強(qiáng)的沖擊破壞力，會對周邊環(huán)境也造成破壞，此時(shí)若井下有開采工作人員正在施工，其生命安全將受到嚴(yán)重威脅。

此外，一些采空區(qū)因存在時(shí)間較長，大概率存在積水的情況，塌陷時(shí)會導(dǎo)致積水涌出，同時(shí)還可能聯(lián)通其他積水空洞，發(fā)生連鎖反應(yīng)，出現(xiàn)災(zāi)害事故，對礦區(qū)造成人員及財(cái)產(chǎn)損失。有相關(guān)報(bào)道顯示，某地礦山地下采空區(qū)發(fā)生透水事故，因此死亡人數(shù)超過八十；某地礦山地下采空區(qū)發(fā)生塌陷事故，導(dǎo)致一人喪生，十多人失蹤。礦山地下采空區(qū)塌陷引發(fā)的交通問題也不容忽視，根據(jù)相關(guān)資料顯示，某國道曾因礦山地下采空區(qū)嚴(yán)重塌陷，不得不中斷交通，時(shí)間長達(dá)兩年之久[3]。綜上，引用高新技術(shù)進(jìn)行礦山地下采空區(qū)的測量迫在眉睫，只有精準(zhǔn)的探測，才能為后續(xù)治理提供有效幫助，解決安全隱患。

2 基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地下采空區(qū)測量

2.1 布設(shè)采空區(qū)控制網(wǎng)

三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際操作中，是利用三維激光掃描儀來完成的，掃描儀在進(jìn)行測量時(shí)，是以自身為坐標(biāo)系，完成對空區(qū)內(nèi)各個(gè)被測點(diǎn)測量的，而建立完整精確的采空區(qū)模型，需要將這些點(diǎn)數(shù)據(jù)各自的獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，這就要求掃描儀進(jìn)行掃描前要進(jìn)行一次校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。具體操作是，將礦區(qū)測量坐標(biāo)系統(tǒng)的各個(gè)控制點(diǎn)，通過全站儀的光電導(dǎo)線，布置在礦山地下采空區(qū)中，使其形成具有真實(shí)坐標(biāo)的公共靶點(diǎn)，三維激光掃描儀在分站掃描之前，首先對這些靶點(diǎn)進(jìn)行掃描以完成校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。這樣掃描得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)才能用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖1 是進(jìn)行三維激光掃描前，一分站的導(dǎo)線控制點(diǎn)布設(shè)示意圖，其中Z1～Z5 表示礦區(qū)測量坐標(biāo)系統(tǒng)的控制點(diǎn)，以此對其布置情況進(jìn)行簡化描述。

2.2 三維激光掃描

根據(jù)礦區(qū)測量坐標(biāo)系統(tǒng)的控制點(diǎn)的位置確定地面鉆孔位置，鉆孔完成后，將掃三維激光掃描儀的探測器通過鉆孔送至采空區(qū)內(nèi)部，進(jìn)行探測，探測之前，需確定鉆孔跟蹤桿件架的方位角具體數(shù)據(jù)，并在掃描儀中提前設(shè)置好。在將探測器送至預(yù)設(shè)好的控制點(diǎn)過程中，探測器的傳感器，將以地表的鉆孔位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，不斷更新自身坐標(biāo)。同時(shí)，探測器深入空區(qū)時(shí)，會根據(jù)提前設(shè)置好的方位角，保證探測器與進(jìn)入鉆孔時(shí)的方位一致。

為保證探測器可以到達(dá)預(yù)定位置，需要工作人員對探測器傳回的信號進(jìn)行分析解讀，通常情況是探測器每下降1m 進(jìn)行一次分析，直至探測器到達(dá)預(yù)定位置。此時(shí)掃描儀開始進(jìn)行掃描工作，發(fā)射高速激光到被測點(diǎn)，激光接觸到空區(qū)表面發(fā)生反射，反射激光由光敏二級管進(jìn)行接收，得到被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)可用公式（1）來表示：

式中，L 表示：探測點(diǎn)與被測點(diǎn)的距離；c 表示：光速；Δt 表示：激光從出發(fā)到返回的時(shí)間；x、y、z 表示：被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)；α 表示：橫向掃描角度；β 表示：縱向掃描角度。根據(jù)礦山地下采空區(qū)的具體情況，對三維激光掃描儀選擇合適的掃描模式與適合的步幅增量，一般默認(rèn)為水平掃描。掃描得到的數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，儲存在相應(yīng)終端內(nèi)，完成空區(qū)內(nèi)全面掃描后，得到其內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量是十分龐大的，需要利用相應(yīng)軟件進(jìn)行處理。

首先將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合操作，通過計(jì)算建立高分辨的多邊形模型，此時(shí)得到的模型還比較粗糙，需要進(jìn)行下一步操作。通過編輯模塊對初步得到的模型進(jìn)行處理，將無用的三角面片進(jìn)行剔除，填補(bǔ)掃描漏洞，使模型表面平滑，并具有厚度，完成模型面積與體積的計(jì)算。將經(jīng)過檢測的模型，利用壓縮模塊進(jìn)行處理，優(yōu)化模型中點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)行三角面片壓縮，最后完成對模型的紋理貼圖，采空區(qū)三維模型基本構(gòu)建完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本次研究提出的方法有效，選取某礦區(qū)歷史采空區(qū)真實(shí)數(shù)據(jù)作為真值，通過仿真軟件進(jìn)行采空區(qū)測量實(shí)驗(yàn)。將本文提出的方法記作方法A，將文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[3]提出的方法分別記作方法B 與方法C。選取均方根誤差與最大殘差兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，利用三種方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

高程測量結(jié)果與分析：

三種方法的高程測量結(jié)果和根據(jù)真值計(jì)算得出的均方根誤差、殘差如表1 所示。

表1 三種方法高程測量結(jié)果與誤差對比

由表1 可知，方法A 的均方根誤差為±0.038m，相比于方法B 與方法C，均方根誤差絕對值分別低了0.021、0.043；方法A 的最大殘差為0.26m，相比于方法B 與方法C，分低了0.16m、0.30m。綜合均方根誤差結(jié)果與最大殘差結(jié)果，方法A 的高程測量精度更高。

4 結(jié)語

本文首先對礦山現(xiàn)狀及面臨的主要問題進(jìn)行分析，提出了基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地下采空區(qū)測量方法，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文提出的測量方法，在高程測量與平面測量中，相比于傳統(tǒng)方法，均有較高的精度，為解決礦山的安全隱患提供了有效的依據(jù)。今后將對礦山地下采空區(qū)的情況進(jìn)行深入研究，以期為其治理提供更好的建議。