三維掃描技術在井下測量中的應用探討

龔建萍

（江西省德興市自然資源局，江西 德興 334200）

1 引言

我國幅員遼闊地大物博，經過億萬年的滄海桑田、地質變遷，造就了我國廣袤的土地下埋藏著豐富的礦產資源，這些礦產皆是無價的寶藏。但是想要利用這些寶藏就要先開采出來，這就涉及到如何做到準確地測量。如何合理利用有限的礦產資源和保障安全生產，就需要我們測量工作者對礦山測量技術以及礦山測量組織與施工方進行大量的研究與實踐，充分利用先進技術。

井下測量技術是礦山開采極其重要的技術，是一項重要而嚴謹的技術性工作。不論開采規模和開采時間都需要進行井下測量以保證數據的準確及安全生產，并使開采達到可持續發展的要求。

2 井下測量的特點

（1）測量對象如工作面位置、采場邊界在空間上不斷變化，地質斷層面的出露及鉆孔，取樣點的存在與時間相關，要求測量人員經常地、有時是重復地進行觀測；

（2）巷道空間狹小，車輛人員來往頻繁，觀測條件差，要求測量人員的操作熟練；

（3）井下與地面不同，很難根據其他物體判定巷道的方位，不同水平的測點往往不通視，無法憑直觀確定其相對位置，要求測量人員工作細心認真，測量結果有可靠的檢核條件。

3 傳統的井下測量

傳統的井下測量采用經緯儀和水準儀結合鋼尺量距進行數據采集［1-2］。全站儀通過測量高程輸入測站高程，量取儀器高和鏡站高，直接顯示測量未知點的高程。全站儀通過三角高程測量來獲取高度對于指導一般的工程施工可達到快且準的效果，并且可與水準儀相互檢核［3］。

表1 經緯儀導線水平角的觀測限差

表2 觀測垂直角的精度要求（每千米水準測量）

表3 水準測量的精度要求

以上表格可以看出傳統井下測量的工作量大，所花費人力物力的也大。而且井下測量不可避免的還會出現諸多問題：比如選擇測量點時出現的偏差：測量點需要在淋水少并且相對比較穩固的地方構建頂板導線點，預防導線點發生脫落，在確定復測水平角準確無誤才能進行測量。依然還會出現觀測數據不正確或出現遺漏，復測不到位等等問題。那就需要更多更頻繁的反復測量反復核算。

4 三維掃描技術的誕生

進入20世紀以來國外推出了一系列三維建模軟件，如美國的Minesight；加拿大的GroCom；澳大利亞的Micromine 等，這些軟件及平臺的使用便捷性及數據的有效性使得在我國得到廣泛的推廣。但是因為一些管理理念，技術規范以及價格、售后等方面的問題在我國的推廣具有很大的局限性，而且完全依賴國外并不是可持續發展的道路。但是國外的軟件并不是沒有一點可取之處，這些平臺提供了為我國提供了一些寶貴的計算方法［4-6］，使我國三維軟件得到了更快更好的發展。

5 我國三維掃描技術應用

為探明江西某煤礦井下采空區的空間狀況，相關測量技術人員運用三維激光掃描技術進行井下測量，取得了顯著成果。用普通的測量方法獲得其空間位置、體積等數據，存在不準確性、測量危險性大等缺點。而三維掃描技術可以簡單、快速的對采空區進行全方位、多角度的掃描，準確獲取三維形態、體積大小、橫縱斷面面積等信息［7-8］，從而更好地完成項目任務，并達到排查安全隱患和預防安全事故的目的［9］。

5.1 SLAM三維激光掃描系統原理

SLAM算法解算出的移動軌跡的精準度決定了空間場景三維數據的精準度。SLAM算法根據激光測距儀所獲得的三維數據中時間軸上共同特征點加上IMU獲取的姿態數據，進行實時解算設備從出發點移動的距離，角度信息，逆向構建連續的空間場景數據。

5.2 SLAM三維激光掃描系統優勢

三維激光掃描主要是以非接觸式的測量形式來實施數據采集，可用于各種環境，對掃描項目三維坐標進行及時獲取，對以往測量技術無法實現的不足進行了有效彌補。在運用這一技術時不需要反射鏡就能夠在不接觸表面的情況下獲取數據，這樣能夠在很大程度上避免一些危險因素的產生，同時最終采集出的數據也具備安全性、可靠性。并且采集速度也是相當快速，在獲取面積、體積數據信息時更顯突出作用。

5.3 項目實踐

測量江西某煤礦413段巷道位置信息及三維形態等數據。點云經建模處理后形成巷道三維模型，并獲取巷道的長度、斷面面積，體積信息等。

測量人員帶著三維掃描設備向前移動采集采空區數據，之后將本不在一個坐標系內的點云數據統一于同一坐標系內。以轉換成大地坐標的第一站數據為基準，然后將每組點云數據進行疊加拼接形成整體巷道數據。下圖為巷道拼接后數據。

圖1 巷道點云數據

圖2 數據拼接精度誤差

通過軟件拼接計算可以看出配準誤差0.012862m。拼接得到了巷道的表面信息，在此基礎上利用曲面擬合、特征面粘貼方法將空間表面細部數據進行特征化處理，并進行三維建模。建模后可以實景再現般進行長度、面積、體積等數據的實體量算。

表4 維激光掃描與傳統測量方式驗收對比

實踐表明，三維激光掃描完全可以勝任礦區井下測量工作，不僅可以避免人員進入危險區域，既保證了工作效率和精度，又確保了安全生產工作的順利進行。

6 數字化礦山

我國對于礦業的安全生產要求和采空區治理要求越來越嚴格，傳統的井下測量已經不能滿足快速發展下社會主義建設的要求。利用三維激光掃描技術可建設各個地區的井下數據庫和數字化礦山模型。通過數據庫和模型不僅可以獲取礦區真實的三維信息，為采礦技術和安全生產提供資料；還可以極大提高生產效率，降低生產事故的發生率。將大規模的數字化礦山模型整合到國家數據庫中，各個科研機構可以進行基礎研究工作。促進我國礦業安全生產技術的快速發展。

6.1 礦山采挖測量和礦量計算

通過點云數據生成的DEM、DTM數據，可以進行礦山的采挖測量，在礦山開采前，通過獲取的DEM、DTM數據實現植被占用面積和土石方量的計算，其中最方便的是實現直觀的礦量計算，在礦山開采過程中，能準確的獲取采空區的空間信息。

6.2 DLG的采集

通過建立礦山開采模型，能夠生成高精度的等高線圖，高密度、高精度的點云模型通過拼接建模生成的數字線劃圖，實現礦山測量基礎數據的獲取。

6.3 礦區沉降觀測

礦山井下工程設施的沉降觀測是衡量礦井安全的主要因素，是礦山測量的重中之重。通過三維激光掃描可以實現井口設施空間數據的整體、準確的獲取，通過數據的多次長期的積累，能夠及時準確地發現沉降變化，使危險因素早發現早預防。

7 結語

井下測量是指導井下礦業生產的重點工作，測量工作正確與否直接影響到工程質量、施工進度和人員安全。測量失誤會給礦業生產帶來重大損失，選用先進的測量方法才能確保安全和質量。三維激光掃描技術具有安全性、快捷性、實時獲取性、精度高等優點，可以實時獲取整個區域的三維模型。利用高精度的三維點云數據建立數字化模型將是以后測繪行業的發展趨勢。三維激光掃描技術必將在各行各業掀起一場數字化的革命。