三維激光掃描技術在礦山地下采空區測量中的應用

楊亮亮

（新疆亞克斯資源開發股份有限公司 哈密 839000）

0 引言

礦山地下采空區是由人工開采，在礦山區域內地下形成的暴露面積較大的空場，在地下受空間限制，空區黑暗不容易觀察，采空區形成形狀不規律。采空區由于施工生產放炮震動等影響，采空區容易發生塌陷，采空區暴露表面較大，有一定的空高等，一旦塌陷產生震動波對正在井下生產工作中的人員有危險，井下正在運行的相關精密設備設施也會受到損壞，給企業帶來巨大的經濟損失和人生安全重大隱患。因此，采用三維激光掃描儀探測測量采空區形狀，具有實時性強、穿透性強、工作效率高等優勢，通過三維激光掃描儀進行采空區測量獲取采空區內三維坐標數據，點云數據量十分龐大，通過這些海量數據處理，使用軟件建模，能夠清晰完整的了解采空區內的形狀、信息等。

1 三維激光掃描技術工作原理

三維激光掃描儀主要由7個部件組成：發射器、接收器、時間計數器、濾光鏡、控制電路板、微電腦及相關軟件等組合而成。三維激光掃描儀主要利用了電子激光測距儀的原理，首先通過電子計量系統從發射激光信號到接受到反射信號的時間差計算出測量數據的目標與測量儀器之間的直線距離S，再根據儀器內部安裝的測量計算系統獲得激光的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度的觀測值φ（如圖1所示）。

圖1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描儀在工程過程中所獲取的點云數據會自動生成一個局部坐標系，該坐標系統是以三維激光掃描儀的定位中心坐標為點，并以掃描儀內部的坐標系統水平面設定X，Y 為軸，垂向方向設定為Z 軸。因此測量數據的目標點為相對坐標值（X，Y，Z），計算公式如下

2 礦山現狀及面臨的主要問題分析

隨著國家的繁榮發展，礦產資源需求量越來越大，目前我國不少礦產正處在中長期發展階段，礦區地表有建筑物、簡易公路、礦石、廢石場等基礎設施，部分礦山經過多年的開采，地下已形成了很多采空區，有部分采空區已塌陷，環境治理不容樂觀。礦山采空區如發生大面積塌陷，地表也就會隨之發生塌陷、開裂等，就會導致地表生態壞境的嚴重破壞，于此同時塌陷就會造成井下空區內空氣氣壓壓縮，涌出沖擊波，就會對周圍的設施造成嚴重的破壞，若是井下有人正在施工開采作業，就會對人員造成嚴重的生命安全威脅。礦區在雨水較多地方，開采較長時間礦區，采空區內會形成有積水情況，出現采區塌陷事故，會對礦區造成嚴重的人員傷害和財產損失。

3 三維激光掃描技術在礦山地下采空區測量中的應用

隨著測繪設備不斷的在發展更新，無人機三維激光掃描儀技術在地下采空區測繪探索中具有很好的推廣研究價值與前景應用，井下采空區空間較復雜，成形不規則，井下無GPS 信號等環境影響，井下無人機飛行工作時信息采集與定位、無人機自主避障系統、規劃及航線規劃、數據傳輸、無人機設備軟件的研究、無人機智能控制等相關技術都還存在許多疑難問題及挑戰。

（1）井下無人機掛載三維激光掃描儀數據采集、反饋與智能控制技術。井下無人機無法接收到GPS信號，只能依靠制導系統（IMU）對高精度慣性的飛行狀態和飛行速度設備狀態等進行定位，采集的數據精度也存在誤差，無法滿足無人機自主飛行智能控制系統，對采空區暴露面積大、深度較高的空區，無人機無法能實現自主飛行探測采空區。

（2）井下無人機掛載的三維激光掃描儀自主避障技術。目前，井下采空區傳統測量不能滿足生產需要，主要還是通過無人機掛載三維激光掃描儀或者普通三維激光掃描儀來進行采空區探測，三維掃描儀通過激光測距來實現自我避障功能，改變了方法雖然速度快、精度高，它適用于簡單較規則的環境障礙，在面對井下無規則，突發障礙難以躲避時，容易發生撞機事故。在無法實現自主飛行功能時，主要還是依靠測量人員或無人機操作人員來手動操作完成三維激光掃描儀作業，由于受到采空區空間局限性影響，空區內粉塵較大、視線較差導致掃描探測工作時作業難度增大。因此，急需要攻克井下采空區復雜環境下的無人機自主避障技術，提高設備的安全性，降低操作難度。

（3）井下無人機的航線規劃技術。目前無人機航線規劃在地表已成熟應用，但是在井下由于受采空區空間復雜環境等信息的影響不能完全自主的規劃航線，這對搭載無人機三維激光掃描儀的規劃需進行研究。無人機在采空區內飛行作業過程中出現避障需要立即進行處理的任務或障礙物時，人為預設的全局路徑規劃難以及時控制無人機，這就對設備造成嚴重的損壞，為此目前急需要開展對采空區內航線規劃需研究探討。

（4）井下三維激光掃描儀數據穩定傳輸性能，井下無法接受到GPS信號，缺少信息驗證，數據傳輸不穩定，使無人機搭載三維激光掃描儀能夠在采空區內作業，能夠安全高效的運行是關鍵。在數據傳輸過程中井下信號弱受環境的影響干擾等，距離傳輸受限制，采集的數據點云數據量大，為能實現長距離在復雜的壞境下數據穩定傳輸，在采空區內無人機能夠自主安全高效的工作，實現采空區數據通訊穩定的傳輸和智能設備配套技術研究。

（5）采空區無人機搭載三維激光掃描儀智能控制、控制算法、環境感知等技術的研究。目前市場上無人機的視覺系統不是很成熟。針對井下采空區的復雜環境，三維激光掃描儀利用空間位置計算法、特征檢測驗證法、圖像差分算法、智能優化探索算法等，來開展井下采空區作業過程中智能控制、實時環境感知等，能夠完全自主的飛行規劃探測測繪工作。

（6）井下無人機搭載三維激光掃描儀能力以及無人機續航時間。在采空區無人機三維激光掃描儀在工作中，無人機需要搭載三維激光掃描儀、光學CD傳感器、配備紅外攝像，機子本身自帶的電池，這會使無人機的載重增加，在作業工程中，對無人機的飛行續航時間造成較大影響，在作業過程中因載重原因設備運行存在風險。因此，解決無人機搭載三維激光掃描儀的載重和延長續航作業是現在需解決的技術。

4 結語

本文主要針對目前礦山的生產現狀面臨的問題進行分析，提出無人機搭載三維激光掃描儀在礦山采空區的使用，無人機存在的缺陷需技術攻關問題，提出先進測繪設備代替傳統測量方式，新的測量方法的優勢，為解決礦山安全隱患提出了有效依據。為今后的礦山開采以及環境治理提供建議。