基于SLAM的連通疊層復雜空區三維精準建模

吳飛 ，胡靜云

(1.江西省修水香爐山鎢業有限責任公司， 江西 九江市 423000；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

很多礦山由于多年的開采，形成了規模不等的采空區，根據礦體賦存產狀與采用的采礦方法的不同，這些礦山的采空區的具體形態、是否連通、規模與復雜程度各不相同。對于井下單個獨立采空區，可以采用鉆孔式或固定式三維激光掃描儀測量其空區輪廓，但是對于連通的采空區與孤立分布的點柱，采用固定式三維激光掃描儀相當不便，存在工作效率低、勞動強度大的問題。

移動式三維激光掃描（SLAM）技術是近年來快速發展的一項高科技測量技術，在城市地下管廊、室內三維場景建模等領域應用較多，但是在礦山井下采空區測量的應用案例非常少見。陳萍[1]、曾俊飛[2]將 SLAM 算法與傳統的靜站式三維激光掃描技術結合，提出一套移動式三維激光掃描系統，通過 SLAM 算法為三維激光掃描儀提供移動掃描過程中的位置信息，進而得到三維激光點的實際坐標，完成室內三維數據采集。夏金周[3]參考地面靜站式三維激光掃描技術的作業流程，探索移動式三維激光掃描數據采集模式，設計了一種全站儀激光掃描儀兩用棱鏡標靶組合裝置，用以減少數據采集誤差。本文提出的測繪系統在實際室內環境中得到測試與驗證，室內場景的長寬高誤差維持在 3 cm之內，室內平面的平整度和垂直度維持在8 mm之內。張麗等[4]提出了一種基于新型移動式三維激光測量技術的隧道結構變形監測方案，利用移動激光掃描獲取高密度點云數據，通過自動識別提取隧道頂部的環片拼接縫，以此為基礎結合點云數據提取各環片斷面信息，對環片結構進行分析，最后利用綜合數據管理平臺對各類監測成果進行管理分析，實現隧道結構變化的科學管理。陸培慶等[5]針對現階段我國地鐵隧道變形監測主要采用傳統的全站儀等設備進行人工測量，將移動式三維激光技術引入地鐵隧道變形監測，采用推行式掃描方法快速獲取隧道完整結構信息，利用自動化后處理軟件全面監測隧道結構變形信息，該方法在滿足監測精度要求的情況下，可快速、全面、可靠地獲得地鐵隧道結構的監測結果。檀繼猛等[6]針對傳統地下管廊測量方法中存在的作業效率低、精度差等問題，試驗了一種基于移動手持掃描技術的地下管廊測量新方法，試驗結果表明，移動式三維激光掃描儀在地下管廊測量中可以明顯提高作業效率，且滿足測量精度要求，具有較好的應用前景。

對礦山的采空區與礦柱，特別是形態復雜的空區與孤立分布的點柱，采用三維激光掃描技術進行精準建模，是礦山高效安全開采的需要，也是礦山數字化自動化智能化發展的趨勢，開展這一方面的深入研究與應用工作意義重大。

1 礦山空區概況

香爐山鎢礦礦體埋深40～300 m，礦體賦存于山坡中上部，礦體似層狀，緩傾斜，礦體厚 2.6～45.6 m，礦體形態較簡單、礦巖界限清晰。直接頂板為灰巖，局部有炭質泥巖，礦體為角巖，底板為花崗巖，礦巖均堅硬致密完整。礦床水文地質條件簡單，開采工程技術條件非常好[7]。礦山一直沿用淺孔留礦全面法進行開采，鑿巖、爆破、鏟裝、運輸與行人均在空區頂板下進行，年生產規模40萬t～60萬t，留設的孤立點柱直徑為5.5～8 m，頂板跨度為10～35 m，采空區高度為10～46 m。截止到2017年底，共采出礦石約1100萬t，歷年來形成的采空區總體積約為368萬m3，采空區的總暴露面積約33萬m2，單個最大暴露面積約300 m2，礦柱總數量約450個。形成的特大復雜采空區內礦柱形態復雜、高度高、空區連通、跨度大，且部分空區上下重疊[8]。井下典型采空區見圖1。

圖1 井下典型空區

礦山需要進行空區與點柱形態精準掃描的原因與目的有以下幾點。

（1）受歷史不規范開采的影響，留設的點柱形狀極不規則，既不是方形也不是圓形，沿點柱縱向不同高度的截面形狀變化非常大，點柱的寬度或直徑變化大，點柱各截面的形心軸線不是垂直的，傾角在60°～90°之間，總的來說所留設的點柱形態異常不規則。

（2）單個點柱的礦石價值大，按鎢金屬品位0.6%來計算，一個高為25 m、平均直徑為5 m的點柱，在鎢精礦（含W2O3為65%）9萬元/t的市場行情下，其價值為3000萬元左右。

（3）受歷史開采的限制，前期采用留不規則點柱的全面法開采，目前正在采用全尾砂膠結充填進行大規模的空區治理，400多個點柱逐漸被充填體所“淹沒”，今后大量的點柱殘采的開采技術條件會十分復雜。

（4）在充填體內回采點柱時，必須有點柱與空區頂底板精準的輪廓坐標，才能準確地設計采準巷道工程與炮孔，如果沒有準確了解點柱的輪廓位置，布置炮孔時誤差幾十厘米也會造成損失與貧化的大量增加，采準巷道工程布置的誤差在幾十厘米范圍內也會相應增加開采成本。

總的來說，對點柱輪廓與采空區頂底板的輪廓的坐標應盡可能精準測定，根據采礦的需要，依托礦山井下現有測量控制點，測量精度應小于20 cm。

2 移動激光三維掃描（SLAM）技術[1-2]

由于傳統激光掃描技術的局限性，每次掃描時需要已知掃描設備的空間坐標值，靈活性較差，礦山迫切需要可移動的三維激光掃描儀，提升設備的機動性，從而提高工作效率。在露天礦山，可以利用GPS、北斗衛星導航技術與GNSS慣導技術等進行實時定位，設備安裝在車輛與飛行器等各種載具上，動態獲取測量設備定位信息以達到移動測量的效果。在井下無法使用諸如GPS、北斗導航的動態定位技術，無法實時獲取測量設備在井下的空間位置信息，進而不能達到移動三維掃描的目的。這種困境直到一種新的空間定位算法 SLAM 技術的出現，才逐步得到改善。

SLAM技術最初由R.C.Smith和P.Cheeseman在1986年針對空間不確定性的估測研究而提出的，主要解決從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測空間特征以定位自身位置和姿態，再根據自身位置增量式的構建地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目的。

如圖2所示，SLAM移動掃描技術主要處理步驟有4步，分別為：

圖2 SLAM移動掃描技術原理與步驟

（1）用探頭對三維空間進行掃描，獲取點云數據；

（2）探頭移動后，復測之前的三維空間，并獲取位移后的點云數據；

（3）系統反算探頭運動軌跡，并根據軌跡信息還原移動的三維空間；

（4）通過空間信息反算匹配，獲取真實三維空間的三維點云數據。

SLAM 技術解決了移動過程中掃描儀空間位置、掃描儀運動軌跡、待測空間環境三者之間的同步定位問題，從而使井下快速移動測量成為可能。該技術無需GPS和GNSS等硬件模塊，使得基于SLAM技術的掃描儀體積小、重量輕，便于人工攜帶，大幅度降低了移動激光掃描儀的成本；避免了由于激光通視原因導致的遠距離測量點云離散、空間遮擋等傳統測量的弊端，有效提升了復雜空間測量的效率與碎部輪廓的測量精度。

3 現場應用及其三維精準建模結果

本次應用選擇在香爐山鎢礦14#～16#勘探線之間的老W6與老W8采場，這一片采場歷史上采用留不規則的孤立點柱的全面采礦法進行開采，鑿巖、爆破、鏟裝、運輸與行人均在空區頂板下進行，由于多個采礦權人在這一區域內無規劃地回采，形成了三層采空區，采空區之間相互連通，是礦山空區形態最為復雜、最具有代表性的區域。

進行空區與礦柱三維激光掃描精準測量建模的區域長約200 m、寬約250 m，空區高度10～30 m。所采用的移動手持式三維激光掃描儀及其技術指標參數見表1。

表1 移動手持式三維激光掃描儀技術參數

確定現場掃描區域后，按如下步驟實施掃描測量工作。

（1）確定掃描行走路線。對掃描區域進行現場踏勘，從整體上了解空區的特征、采空區的分布與點柱的分布，合理規劃掃描行走路線，在行走路線最短的條件下，能夠掃描到所有的空區與點柱。

（2）選擇測量控制點。為了將測量結果在礦山坐標參考系下進行顯示表達，需要確定兩個測量控制點，根據SLAM技術的特點，對測量控制點在掃描區域內的布局、測量控制點之間的距離沒有特別嚴格的要求，但應盡量均勻落在整個掃描區域內。測量控制點確定后，在測量控制點位置上放置專用的圓形靶球。在掃描測量空區前，先掃描圓形靶球，作為測量起算點與控制點。

（3）單次測量行走路線直線長度不要大于100 m。為了控制測量誤差的累積與傳播，單次行走路線的直線長度不要超過100 m，通過專業軟件解算與拼接多次掃描結果，可以形成整個空區的掃描結果。

對本次掃描區域共進行了4個單次掃描，采用專業軟件進行處理后，得到的采空區與點柱的三維建模結果分別見圖3～圖5。圖3是多層采空區的三維立體圖，掃描結果顯示了2層采空區，最下一層采空區已經被膠結充填。圖4是截取第二層空區后得到的平面圖，圖中陰影部分為不規則點柱。圖5是沿任一方向截取的橫剖面圖。

圖3 連通疊層復雜空區三維立體圖

圖4 第二層空區平剖面

圖5 A-A剖面

本次掃描區域的面積約3萬m2，空區總體積約35萬m3，不規則點柱26個，井下作業總時間約為4 h，工作人員的工作強度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

掃描測量結果的測量精度在5～10 cm之間，遠小于工程所需的精度20 cm，顯示出了SLAM技術在井下不規則連通復雜空區掃描中的巨大優勢。

4 結論

（1）針對井下連通復雜不規則采空區，應用SLAM技術獲得了空區與點柱的輪廓與位置信息，可滿足采準切割工程與炮孔布置的精度需求，SLAM技術的測量精度能達到5～10 cm。

（2）本次掃描區域的面積約3萬m2，空區總體積約35萬m3，不規則點柱26個，井下作業總時間約為4 h，工作人員的勞動強度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

（3）SLAM 技術能為數字化礦山的建設起到十分重要作用，可為礦山礦柱資源的安全高效利用提供必需的基礎資料。