三維激光掃描技術在礦山地下采空區測量中的應用

張先慧，代祥勇

（1.貴州省地質礦產勘查開發局101 地質大隊，貴州 凱里 556000；2.凱里市城市規劃設計院，貴州 凱里 556000）

礦山地下采空區是由于自然因素或人工開采，在礦山內部形成的“空洞”，這些“空洞”的存在十分隱蔽，不易被發覺，并且其分布基本不具備規律性[1]。采空區一旦發生塌陷，可能會對正在礦山中工作的相關人員陷入危險的境地，正在運行的相關精密設備也可能會因此收到損壞，為礦區帶來巨大的經濟損失與安全隱患。故而，礦山采空區的探測，是保證礦山的開采工作與后續維護工作的重要環節，只有準確了解礦山地下采空區的分布與空間形態特征，才能夠針對性地采取處理措施，消除隱患。傳統的礦山地下采空區的測量技術存在著精度不足的問題，往往很難準確地測量出采空區的空間形態特征，為后續礦山地下采空區的處理造成不小的困擾。三維激光掃描技術是一種適用性十分廣的高新技術，尤其在建筑工程領域獲得了廣泛應用[2]。三維激光掃描技術是利用高速激光掃描進行測量，具有效率高、穿透性強、實時性強的優勢，通過掃描可以獲得掃描對象表面各點的三維坐標，由于高速激光的密集性，獲取的點云數據信息十分龐大，可以通過這些海量的數據信息，復刻出模擬真實大小的三維影像模型，這種模型具有高分辨率、高精度，可以為后續的數據分析工作、處理工作等提供有效幫助。本文針對礦山面臨的主要問題進行分析，展開三維激光掃描技術，在礦山地下采空區測量中的應用方法研究。

1 礦山現狀及面臨的主要問題分析

各行業的發展帶來了多種資源的消耗，礦產資源的需求量也在增多，我國目前不少礦區，都處于發掘中期階段，礦區地表上有著簡易公路、礦物處理場地等簡易設施，礦山經過了一定時間的開采，內部已經形成了很多采空區，且部分采空區已經發生塌陷，情況十分不樂觀。礦山地下采空區一旦發生大面積冒落，地表就會隨之產生下陷、開裂，導致地面生態被破壞，與此同時，由于塌陷造成空區內的空氣壓縮，涌出時具有很強的沖擊破壞力，會對周邊環境也造成破壞，此時若井下有開采工作人員正在施工，其生命安全將受到嚴重威脅。

此外，一些采空區因存在時間較長，大概率存在積水的情況，塌陷時會導致積水涌出，同時還可能聯通其他積水空洞，發生連鎖反應，出現災害事故，對礦區造成人員及財產損失。有相關報道顯示，某地礦山地下采空區發生透水事故，因此死亡人數超過八十；某地礦山地下采空區發生塌陷事故，導致一人喪生，十多人失蹤。礦山地下采空區塌陷引發的交通問題也不容忽視，根據相關資料顯示，某國道曾因礦山地下采空區嚴重塌陷，不得不中斷交通，時間長達兩年之久[3]。綜上，引用高新技術進行礦山地下采空區的測量迫在眉睫，只有精準的探測，才能為后續治理提供有效幫助，解決安全隱患。

2 基于三維激光掃描技術的礦山地下采空區測量

2.1 布設采空區控制網

三維激光掃描技術在實際操作中，是利用三維激光掃描儀來完成的，掃描儀在進行測量時，是以自身為坐標系，完成對空區內各個被測點測量的，而建立完整精確的采空區模型，需要將這些點數據各自的獨立坐標系進行統一，這就要求掃描儀進行掃描前要進行一次校準，以實現坐標系的統一。具體操作是，將礦區測量坐標系統的各個控制點，通過全站儀的光電導線，布置在礦山地下采空區中，使其形成具有真實坐標的公共靶點，三維激光掃描儀在分站掃描之前，首先對這些靶點進行掃描以完成校準，實現坐標系的統一。這樣掃描得到的點數據才能用于后續數據處理。

圖1 是進行三維激光掃描前，一分站的導線控制點布設示意圖，其中Z1～Z5 表示礦區測量坐標系統的控制點，以此對其布置情況進行簡化描述。

2.2 三維激光掃描

根據礦區測量坐標系統的控制點的位置確定地面鉆孔位置，鉆孔完成后，將掃三維激光掃描儀的探測器通過鉆孔送至采空區內部，進行探測，探測之前，需確定鉆孔跟蹤桿件架的方位角具體數據，并在掃描儀中提前設置好。在將探測器送至預設好的控制點過程中，探測器的傳感器，將以地表的鉆孔位置作為基準點，不斷更新自身坐標。同時，探測器深入空區時，會根據提前設置好的方位角，保證探測器與進入鉆孔時的方位一致。

為保證探測器可以到達預定位置，需要工作人員對探測器傳回的信號進行分析解讀，通常情況是探測器每下降1m 進行一次分析，直至探測器到達預定位置。此時掃描儀開始進行掃描工作，發射高速激光到被測點，激光接觸到空區表面發生反射，反射激光由光敏二級管進行接收，得到被測點的三維坐標信息。三維激光腳點坐標可用公式（1）來表示：

式中，L 表示：探測點與被測點的距離；c 表示：光速；Δt 表示：激光從出發到返回的時間；x、y、z 表示：被測點的三維坐標；α 表示：橫向掃描角度；β 表示：縱向掃描角度。根據礦山地下采空區的具體情況，對三維激光掃描儀選擇合適的掃描模式與適合的步幅增量，一般默認為水平掃描。掃描得到的數據經由無線網絡進行傳輸，儲存在相應終端內，完成空區內全面掃描后，得到其內部的點云數據，進行下一步處理。

2.3 數據處理

三維激光掃描得到的點云數據量是十分龐大的，需要利用相應軟件進行處理。

首先將得到的點云數據進行整合操作，通過計算建立高分辨的多邊形模型，此時得到的模型還比較粗糙，需要進行下一步操作。通過編輯模塊對初步得到的模型進行處理，將無用的三角面片進行剔除，填補掃描漏洞，使模型表面平滑，并具有厚度，完成模型面積與體積的計算。將經過檢測的模型，利用壓縮模塊進行處理，優化模型中點的數量，進行三角面片壓縮，最后完成對模型的紋理貼圖，采空區三維模型基本構建完成。

3 仿真實驗

為驗證本次研究提出的方法有效，選取某礦區歷史采空區真實數據作為真值，通過仿真軟件進行采空區測量實驗。將本文提出的方法記作方法A，將文獻[1]與文獻[3]提出的方法分別記作方法B 與方法C。選取均方根誤差與最大殘差兩個指標進行評價，利用三種方法進行仿真實驗。

高程測量結果與分析：

三種方法的高程測量結果和根據真值計算得出的均方根誤差、殘差如表1 所示。

表1 三種方法高程測量結果與誤差對比

由表1 可知，方法A 的均方根誤差為±0.038m，相比于方法B 與方法C，均方根誤差絕對值分別低了0.021、0.043；方法A 的最大殘差為0.26m，相比于方法B 與方法C，分低了0.16m、0.30m。綜合均方根誤差結果與最大殘差結果，方法A 的高程測量精度更高。

4 結語

本文首先對礦山現狀及面臨的主要問題進行分析，提出了基于三維激光掃描技術的礦山地下采空區測量方法，并進行仿真實驗。實驗結果顯示，本文提出的測量方法，在高程測量與平面測量中，相比于傳統方法，均有較高的精度，為解決礦山的安全隱患提供了有效的依據。今后將對礦山地下采空區的情況進行深入研究，以期為其治理提供更好的建議。