淺談SLAM（慣導）便攜式掃描系統在大屯錫礦井下掃描中的應用

李 慶

（云南錫業股份有限公司大屯錫礦，云南 個舊 661000）

建立礦區內各項工程的數據庫及三維模型是建設數字化礦山的基礎，而井下巷道三維建模是礦床三維建模的重要組成內容，也是實現井下巷道可視化表達的重要方式。近年來，隨著采礦方法的變革及高效設備的運用，充填采礦法已成為三坑主要生產方式。但傳統的測量方式存在效率低、誤差較大、不能準確反映進路空間形態等問題日益凸顯，如何快速、直觀、準確地反映井下各類工程的形態及其空間關系是礦山測量工作的重要課題。面對這一難題，大屯錫礦通過探索和對比，引進SLAM（慣導）系統便攜式掃描系統，對井下各類工程進行掃描（數據采集）。三維掃描儀的用途是收集物體幾何表面的點云（point cloud），通過軟件將搜集到的數據進行三維重建計算，以創建實際物體的數字模型，越密集的點云可以創建更精確的模型，這個過程稱做三維重建。該項技術廣泛應用于工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、地貌測量、醫學信息、刑事鑒定、電影制片、游戲創作素材等。

1 現場操作方法

現場收集數據（掃描）質量的好壞直接影響掃描模型的精度，而井下工程掃描由于受空間、環境等特殊因素影響，將SLAM（慣導）便攜式掃描系統應用于井下礦山，沒有現成的操作規范，一切都處于實驗階段，需要使用者不斷去探索、分析和檢驗，下面將近年來的使用經驗總結如下：

1.1 設備連接

SLAM三維激光掃描系統主要由：激光掃描儀、主機設備、電池及充電設備、連接線組成。連接線的兩端分別和主機、掃描頭的LOMO口連接，電池扣在主機上即可完成安裝。

1.2 掃描準備階段

將掃描儀平置，設備開機之后連接內置的WIFI（密碼：zebedee12），通過平板或手機端瀏覽器輸入網址（192.168.102.2）進入控制截面，創建文件后開始工程掃描。網頁可實時顯示點云數據，實時解算點云數據，實時顯示移動軌跡，采集完成后，點擊STOP停止掃描。具體操作為：

（1）連接WIFI（geoslam-rt）-----密碼zebedee12。

（2）按下開機鍵并將掃描儀平置。

點擊NEW SCAN在輸入掃描工程名稱前，使掃描頭保持水平放置，并保持靜止；在特殊環境下使用手掌托著盡量保持靜止即可。

（3）打開UC瀏覽器，輸入登錄網址-----192.168.102.2。

新建掃描任務（如下圖所示：文件名以時間+礦體名稱+分層構成）

圖1 任務創建

1.3 現場掃描

（1）打開掃描頭按鈕，待系統初始化完，拿起掃描儀進行掃描作業。

圖2 掃描現場

（2）掃描路徑根據需要可布設為按閉合路線、不閉合路線、支導線線路進行掃描。若巷道形態復雜、需要精確計算巷道體積、采場控制系統不完善時采用閉合線路；一般情況下，采用不閉合線路（需要精確體積的采用往返掃描）；掃描時選用的像控點應盡可能均勻分布于掃描區域而且需要注意選用像控點的圖形形狀（等邊形最佳）；掃描時需同時掃入不少于3個像控點（控制點），若控制系統不完善或測點分布不均勻時應適當增加像控點數量以提高模型精度；每次掃描長度不超300m，掃描完之后再新建一個文件繼續掃描。

圖3 掃描路徑中的閉合線路

圖4 掃描路徑中的不閉合線路

圖5 掃描路徑中的支導線線路

圖6 掃描效果圖

（3）掃描結束后，點擊“STOP”，待數據存儲完畢后，檢查數據是否可用，確認后方可關機。

2 實例解析

圖7 充填采礦法采場

（1）該工程為充填采礦法采場，需要準確的巷道形態和體積，但該處控制系統完備，分析采用不閉合線路進行掃描即可（采礦進路段需往返掃描）。

（2）在對上圖巷道進行掃描時，選擇控制點應避免使用同一直線上的點，即B9363、B9363、B9373、B9383這四個點中的三個或四個點（這四個控制點都處于Y軸附近），這樣主要是為了避免數據處理過后X方向模型的高程出問題。由于立桿和捕捉桿底時不可避免的會存在誤差，而這些點間ΔX值較小，這樣在匹配時X方向上的巷道高程誤差=刺點高程誤差/點選用控制點間ΔX值＊掃描巷道的ΔX值（上圖B1363點處的高程誤差≈0.03/0.7＊35≈1.5米），即隨著巷道在X方向上的延伸巷道高程上的誤差就會增大。所以掃描時控制點的選擇應避免全部使用同一條線上的測點。

（3）選用的控制點應均勻分布。如上圖最佳的控點應選擇B09423、B9353、B9383、B2713，這些測點均勻的分布在掃描范圍內，可最大限度的減小巷道模型的誤差。條件允許的話，盡量避免選擇控點只在掃描區域的一側，例如選擇B9423、B9353、B9363這種情況發生，這樣離選用控點越遠，生成巷道模型的誤差就越大，如上圖中B9383、B1733點附近巷道的誤差較大。

掃描結束后需檢查數據完整性和可靠性。

3 結論

掃描模型的精度主要取決于現場掃描質量的好壞，通過分析待掃描工程性質、用途及控制系統的布設情況，選用最佳的掃描路徑、最佳控制網（像控點）以保證掃描模型的精度。掃描數據經過計算機處理后，結合Dimine等三維軟件可快速重構出被測物體的三維模型，所以手持式三維激光掃描儀又稱實景復制技術，它突破了傳統的單點測量方法，具有體積小、重量輕、操作簡單、拆裝方便、高效率、高精度的優勢，能夠在復雜的空間對被測物體進行快速掃描測量，自動存儲、計算，近期以來，通過測量技術人員的不斷探索和實驗，手持式三維激光掃描儀在大屯錫礦三坑各個礦體的推廣應用，標志著大屯錫礦測量技術向前邁進了巨大一步。