三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用與研究

劉志強(qiáng)

(山西中條山集團(tuán) 篦子溝礦業(yè)有限公司，山西 垣曲 043703)

目前，我國(guó)正處于飛速發(fā)展的全新時(shí)期，礦山企業(yè)及礦山測(cè)量工作也將面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。礦山測(cè)量的主要工作包括地面測(cè)量和井下測(cè)量，一直以來我們延續(xù)礦山測(cè)量的任務(wù)包括建立礦區(qū)地面控制網(wǎng)并繪制礦區(qū)地形圖；對(duì)礦區(qū)內(nèi)地面附著物進(jìn)行測(cè)量，繪制礦區(qū)平面圖；對(duì)井下各類工程進(jìn)行施工控制和竣工測(cè)量等[2]。但是隨著科學(xué)技術(shù)和綠色礦山建設(shè)要求的不斷提高，礦山二維圖紙已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求，因此探索更加先進(jìn)并且適合礦山的新測(cè)量方法是當(dāng)下礦山測(cè)量人面臨的共同問題[3]。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

近幾年備受關(guān)注的三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測(cè)量中單點(diǎn)測(cè)量的模式，該技術(shù)通過發(fā)射激光來掃描被測(cè)物，以獲取被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)，其巨大優(yōu)勢(shì)就在于可以大面積高分辨率快速掃描被測(cè)物體，掃描不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)，因此該技術(shù)被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)[4]，作為當(dāng)今時(shí)代的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，其高精度、高效率的特點(diǎn)為礦井測(cè)量提供了新的思路、新的途徑[5]。

2 工程概況

山西省某銅礦，位于東經(jīng)111°，北緯35°，占地面積216萬m2，礦區(qū)位于中高山區(qū)，山崖陡峭，地勢(shì)高低不一，最高海拔標(biāo)高為1 112 m，最低海拔600 m，該礦山是一座有著60多年開采歷史的中型礦山，井下有幾萬米錯(cuò)綜復(fù)雜的井巷工程。原始的圖紙和數(shù)據(jù)均為紙質(zhì)版，加上年代久遠(yuǎn)，很多圖紙變形，數(shù)據(jù)丟失，2015年該企業(yè)由主產(chǎn)向殘礦回收轉(zhuǎn)移，為了更加合理地開采資源，避免重復(fù)設(shè)計(jì)施工引發(fā)安全事故，同時(shí)也為了滿足國(guó)家綠色礦山要求，企業(yè)決定構(gòu)建礦山井巷工程三維可視化模型。

3 井巷工程三維可視化模型構(gòu)建方案

3.1 移動(dòng)式三維激光掃描儀

移動(dòng)式三維激光掃描儀，該儀器具有SLAM技術(shù)，主要解決從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)空間不確定性在運(yùn)動(dòng)過程中通過重復(fù)觀測(cè)到的地圖特征，定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式地構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的，該設(shè)備主要由手持探頭、采集器兩部分組成，有效測(cè)距30 m，測(cè)量范圍270°×360°。

該設(shè)備的外業(yè)操作非常簡(jiǎn)單，根據(jù)測(cè)量任務(wù)確定測(cè)量路線，開機(jī)初始化后，由單人按照正常步行速度往返行走，即可完成測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作，掃描全過程可無任何控制點(diǎn)。內(nèi)業(yè)需要運(yùn)用專用解壓軟件GeoSLAM Hub對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，即可獲得高密度的井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件Cloud Compare進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)查看、抽稀、降噪、剪切、漂移點(diǎn)的處理以及手動(dòng)拼接等等一系列操作，最終得到地下礦山整體空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control建模軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、刪除體外孤點(diǎn)、封裝、簡(jiǎn)化以及網(wǎng)格修復(fù)等等一些列的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)逆向建模，完成井下工程實(shí)體模型創(chuàng)建工作，移動(dòng)式三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云如圖1。

圖1 手持三維激光掃描儀獲取的井巷工程點(diǎn)云拼接圖Fig.1 Mosaic map of point cloud of mine tunnel project acquired by handheld 3D laser scanner

3.2 全站式三維激光掃描儀

全站式掃描儀不僅是一臺(tái)毫米級(jí)精度、測(cè)角精度1 s、自動(dòng)追蹤照準(zhǔn)棱鏡的高精度全站儀，同時(shí)又是一臺(tái)高速激光掃描、全景掃描+內(nèi)置廣角相機(jī)的三維激光掃描儀；既可以進(jìn)行高精度的自動(dòng)化測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)掃描。其巨大優(yōu)勢(shì)就在于可以直接定位絕對(duì)坐標(biāo)并通過三維激光掃描技術(shù)快速掃描被測(cè)物體，掃描不需反射棱鏡即可直接獲得被測(cè)井巷工程高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在獲取井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行點(diǎn)云自動(dòng)拼接，通過配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立礦山三維可視化模型。

全站式掃描儀采用導(dǎo)線測(cè)量的方式進(jìn)行，即架站完畢后，通過選擇測(cè)站點(diǎn)及后視點(diǎn)三維坐標(biāo)，選擇點(diǎn)云掃描，便可以快速獲取該測(cè)站的井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過全站儀功能，可以獲取下一個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以此類推獲取整個(gè)井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量過程中至少需要兩個(gè)已知控制點(diǎn)。內(nèi)業(yè)將掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件MAGNET Collage進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接、查看、抽稀、降噪、剪切等等處理，最終得到測(cè)量區(qū)域的井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control建模軟件進(jìn)行降噪、刪除體外孤點(diǎn)、封裝、簡(jiǎn)化以及網(wǎng)格修復(fù)等等一些列的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)逆向建模，完成井下工程實(shí)體模型創(chuàng)建工作。全站式掃描儀獲取點(diǎn)云如圖2。

圖2 全站式掃描儀獲取的井巷工程點(diǎn)云Fig.2 Point cloud of mine tunnel project acquired by total station scanner

4 兩種測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)

1)移動(dòng)式三維激光掃描儀建模較傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)具有更好的三維適應(yīng)性；測(cè)量過程簡(jiǎn)單，可由單人完成全部測(cè)量任務(wù)，在較短的時(shí)間內(nèi)完成礦山井巷工程測(cè)量，極大地提高測(cè)量效率；可完整、詳實(shí)地反映地下空間現(xiàn)狀；獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以與三維模擬軟件及開發(fā)設(shè)計(jì)軟件良好銜接，為數(shù)字化開采及管理提供三維數(shù)據(jù)；配合第三方軟件可用于驗(yàn)方測(cè)量、超、欠挖核對(duì)等；可為中深孔等采礦設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的平剖面圖及采掘工程實(shí)體模型等等。缺點(diǎn)在于在沒有控制點(diǎn)的情況下完全依靠相似點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)拼接，長(zhǎng)距離多站式的井巷工程會(huì)出現(xiàn)模型偏差，即便是利用已知控制點(diǎn)和標(biāo)靶球，也不能保證在進(jìn)行點(diǎn)云擬合時(shí)，每次捕捉到的球心就是控制點(diǎn)中心，有一部分偶然誤差存在其中，從而降低了測(cè)量精度。

2)全站式三維激光掃描儀優(yōu)點(diǎn)在于其可以在短時(shí)間內(nèi)獲取井巷工程三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，極大地提高工作效率；運(yùn)用全站儀絕對(duì)定位的巨大優(yōu)勢(shì)采集到絕對(duì)坐標(biāo)下的井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且后期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過軟件進(jìn)行自動(dòng)拼接；可以在進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，簡(jiǎn)化作業(yè)過程；運(yùn)用其高速激光掃描、全景掃描+內(nèi)置廣角相機(jī)功能可以獲取井巷工程實(shí)景照片，在后期處理過程中進(jìn)行貼圖，獲取井巷工程實(shí)景模型；通過其測(cè)量機(jī)器人功能，配合PC端可由單人完成全部測(cè)量任務(wù)；獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以很好地與三維模擬軟件及開發(fā)設(shè)計(jì)軟件良好銜接，為數(shù)字化開采及管理提供三維數(shù)據(jù)；配合第三方軟件可用于驗(yàn)方測(cè)量、超、欠挖核對(duì)等；可為中深孔等采礦設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的平剖面圖及采掘工程實(shí)體模型等等。缺點(diǎn)在于首先其價(jià)格昂貴；其次由于井巷工程不可能完全平整，全站儀需要固定采集數(shù)據(jù)，在遇到坑凹時(shí)激光束遮擋，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)不全，想要完全完整、真實(shí)地反映地下空間現(xiàn)狀只能通過近距離多次架站的方式來獲取。

5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

結(jié)合兩種測(cè)量設(shè)備獲取井巷工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，想要快速獲取絕對(duì)坐標(biāo)下高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)來構(gòu)建井巷工程三維可視化模型，可以將兩種測(cè)量設(shè)備采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，即將兩者設(shè)備采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存為同一種格式，比如Cloud Compare Stereo都識(shí)別的.las格式，在Cloud Compare Stereo點(diǎn)云處理軟件下將移動(dòng)式三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切、移動(dòng)等操作，對(duì)全站式三維激光掃描儀采集到的絕對(duì)坐標(biāo)下點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對(duì)稀少的位置進(jìn)行補(bǔ)充，這樣就可以獲取井巷工程高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向建模軟件Geomagic Control即可快速構(gòu)建絕對(duì)坐標(biāo)下完整的井巷工程三維可視化模型。

6 結(jié)語(yǔ)

通過某中型銅礦井下實(shí)際運(yùn)用表明移動(dòng)式三維激光掃描儀較適合運(yùn)用于短距離工程或者相對(duì)隱蔽、獨(dú)立工程三維可視化模型的獲取，如溜井、采場(chǎng)以及礦堆立方量計(jì)算等等；全站式三維激光掃描儀較適合運(yùn)用于長(zhǎng)距離中間無較大變化工程的三維可視化模型獲取，如運(yùn)輸巷道、斜坡道工程等，兩種測(cè)量方法均可獲取滿足當(dāng)下高精度數(shù)字化礦山井巷工程三維可視化模型，兩種測(cè)量方法數(shù)據(jù)融合效果更佳。總之，三維激光掃描技術(shù)在礦山平穩(wěn)、高效、安全生產(chǎn)中將發(fā)揮巨大作用。