無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在地下采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究

李杰林 楊承業(yè) 胡 遠(yuǎn) 周科平 張孝平 劉銳凱，

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南 戛灑 653405；3.天河道云（北京）科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在采用空?qǐng)龇ɑ蛩煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采的地下金屬礦山，廣泛分布著形態(tài)各異且空間規(guī)模不等的采空區(qū)。采空區(qū)的存在極易引發(fā)大規(guī)模透水、坍塌、冒落等災(zāi)害，致使礦山開(kāi)采條件惡化，因此采空區(qū)是礦山亟需治理的危險(xiǎn)源之一［1，2］。由于地下采空區(qū)的位置、空間形態(tài)、規(guī)模往往異常復(fù)雜，在采空區(qū)處理過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)空區(qū)三維形態(tài)的精準(zhǔn)探測(cè)［3，4］，可為制定安全、有效的采空區(qū)治理方案提供可靠依據(jù)。

近年來(lái)，采空區(qū)三維激光掃描技術(shù)已在礦山領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，通過(guò)三維激光掃描，可高效、準(zhǔn)確地獲取空區(qū)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建采空區(qū)的真實(shí)三維形貌。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的采空區(qū)探測(cè)系 統(tǒng) 主 要 有 CMS［5，6］、VS150［7］、CAL-S［8］以 及MAPTECK［9］等。利用這些采空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了眾多的采空區(qū)探測(cè)及采空區(qū)處理技術(shù)研究，如過(guò)江等［10］提出了以三維激光探測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的空區(qū)探測(cè)新方法，并在廣西銅坑礦與高峰礦開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，精確測(cè)量了大廠礦區(qū)的采空區(qū)三維參數(shù)；楊福斗［11］等采用CMS采空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)與Flac3D數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方式，對(duì)南溫河鎢礦采空區(qū)及礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了采空區(qū)內(nèi)人工混凝土假柱的安全性；王瑞等［12］基于三維激光掃描技術(shù)，利用探測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和炮孔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立了采空區(qū)三維模型及采場(chǎng)設(shè)計(jì)模型，并運(yùn)用布爾計(jì)算方式計(jì)算出采場(chǎng)充填量。

這些三維激光掃描系統(tǒng)在采空區(qū)探測(cè)及處理領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但其弊端和不足也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，比如設(shè)備操作人員需靠近或進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行架站測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中存在較大的危險(xiǎn)性；即便是采用延伸桿探入方式進(jìn)行測(cè)量，也存在著測(cè)量距離過(guò)遠(yuǎn)、存在測(cè)量盲區(qū)和測(cè)量精度差等問(wèn)題，尤其是面對(duì)高大采空區(qū)、礦柱、存窿礦堆、冒落巖體等，采空區(qū)形態(tài)難以進(jìn)行精確掃描，導(dǎo)致部分空區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整，從而影響采空區(qū)形貌探測(cè)的準(zhǔn)確性。

隨著無(wú)人機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，一種無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)（UAV-Lidar）得到了研究人員的廣泛關(guān)注，通過(guò)利用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性與靈活性，采用無(wú)人機(jī)搭載三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位掃描，操作人員無(wú)需進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域即可完成掃描作業(yè)，這種利用無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量與三維激光掃描相結(jié)合的手段［13-15］，可以有效解決傳統(tǒng)三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失難題，從而獲得精確的采空區(qū)形態(tài)。目前，受限于無(wú)人機(jī)井下通信、環(huán)境感知、自主飛行、自動(dòng)避障等技術(shù)的限制，無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)多用于地表地形測(cè)量［16，17］，而在地下金屬礦山中的應(yīng)用還處于探索階段。

本文在介紹無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)原理、作業(yè)流程作業(yè)優(yōu)勢(shì)等基礎(chǔ)上，以云南大紅山鐵礦為試驗(yàn)礦山開(kāi)展了井下采空區(qū)無(wú)人機(jī)三維激光掃描應(yīng)用研究，并對(duì)無(wú)人機(jī)三維激光掃描在采空區(qū)探測(cè)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1 井下無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備組成與作業(yè)原理

井下無(wú)人機(jī)三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理如圖1所示。無(wú)人機(jī)三維激光掃描設(shè)備主要由無(wú)人機(jī)平臺(tái)與機(jī)載三維激光掃描儀組成（見(jiàn)圖1（a）），二者經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化集成，構(gòu)成了二位一體的無(wú)人機(jī)三維激光掃描系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)載三維激光掃描儀的高精度慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（圖1（b））即可實(shí)時(shí)獲取無(wú)人機(jī)的飛行速度、飛行姿態(tài)以及飛行軌跡等參數(shù)，同時(shí)配合基于激光測(cè)距的自主避障功能，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)GPS信號(hào)環(huán)境下的智能飛行探測(cè)；激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的具體原理可參考文獻(xiàn)［6］，機(jī)載三維激光掃描儀每秒可獲取數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)Wi-Fi發(fā)射器可實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)至接收設(shè)備，并同步到存儲(chǔ)設(shè)備中。

1.2 井下無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)流程

井下無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)流程如圖2所示，通過(guò)在探測(cè)作業(yè)點(diǎn)開(kāi)展無(wú)人機(jī)三維激光掃描，并將所獲取的采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入至配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀、坐標(biāo)矯正與轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云誤差處理以及點(diǎn)云模型的構(gòu)建。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的具體處理過(guò)程可參考文獻(xiàn)［17］，最后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建出采空區(qū)的實(shí)測(cè)模型。

1.3 無(wú)人機(jī)三維激光掃描作業(yè)在采空區(qū)探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描探測(cè)后的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

可以看出，傳統(tǒng)三維激光掃描方式所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖3（a））在局部區(qū)域存在點(diǎn)云缺失與點(diǎn)云稀疏現(xiàn)象，這是由于傳統(tǒng)的架站式或延伸桿式三維激光掃描方法受限于采空區(qū)的復(fù)雜形態(tài)與探測(cè)環(huán)境，無(wú)法對(duì)采空區(qū)實(shí)施精確掃描，使得部分探測(cè)“盲區(qū)”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在缺失或數(shù)據(jù)點(diǎn)不足的問(wèn)題，從而影響采空區(qū)實(shí)測(cè)模型的精確度。通過(guò)采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描探測(cè)后，其探測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖3（b））彌補(bǔ)了探測(cè)“盲區(qū)”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而使得三維采空區(qū)實(shí)測(cè)模型更能真實(shí)地反映出采空區(qū)的實(shí)際形態(tài)。

無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)主要有以下三點(diǎn)：①能全面、精確地掃描采空區(qū)，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量更充分、完整，從而提高采空區(qū)模型的準(zhǔn)確性和可靠性；②在探測(cè)過(guò)程中，測(cè)量人員始終位于安全區(qū)域，無(wú)需靠近或進(jìn)入采空區(qū)，作業(yè)安全；③探測(cè)速度快，可在短時(shí)間內(nèi)完整、高效、安全地完成采空區(qū)三維激光掃描作業(yè)。

因此，無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)探測(cè)中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 應(yīng)用實(shí)例

云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦Ⅱ-1主礦體的采礦方法為空?qǐng)龇ǎ?jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，形成了大量的采空區(qū)，同時(shí)還遺留了大量的殘礦資源。為開(kāi)展井下殘礦與采空區(qū)安全協(xié)同治理，使用架站式、手持式三維激光掃描的方式對(duì)Ⅱ-1礦體系列采空區(qū)開(kāi)展了三維激光測(cè)量作業(yè)，已探明采空區(qū)數(shù)量累計(jì)21個(gè)，其中775中段的775-1采空區(qū)測(cè)量體積最大，高達(dá)44萬(wàn)m3，其三維激光掃描結(jié)果如圖4所示。

由于775-1采空區(qū)的東北角頂部巷道被冒落礦石封堵，人員和設(shè)備無(wú)法接近采空區(qū)開(kāi)展探測(cè)作業(yè)，從而導(dǎo)致部分區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失（圖4（a）），影響采空區(qū)模型的精確性；此外，由于該采空區(qū)體積過(guò)大，且空區(qū)形態(tài)與賦存形式較為復(fù)雜，探測(cè)距離過(guò)遠(yuǎn)，無(wú)法全面獲得采空區(qū)底部的探測(cè)數(shù)據(jù)，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為稀疏。

為保證775-1采空區(qū)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以該采空區(qū)為試驗(yàn)對(duì)象，使用大疆M600無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載翼目神HM100便攜式機(jī)載三維激光掃描儀，對(duì)775-1采空區(qū)的東北角頂部與采空區(qū)底部開(kāi)展無(wú)人機(jī)三維激光掃描工作（圖4（b））。根據(jù)無(wú)人機(jī)探測(cè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件將無(wú)人機(jī)掃描數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合（圖4（c）），并建立了775-1采空區(qū)實(shí)測(cè)模型（圖4（d））。可以看出，通過(guò)無(wú)人機(jī)三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能更全面、精確地展示775-1采空區(qū)的形態(tài)。

3 井下無(wú)人機(jī)三維激光掃描應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)

無(wú)人機(jī)三維掃描技術(shù)在地下礦采空區(qū)探測(cè)中具有很好的推廣價(jià)值與應(yīng)用前景，但受限于井下無(wú)GPS信號(hào)環(huán)境以及復(fù)雜不規(guī)則的采空區(qū)形貌，在無(wú)人機(jī)飛行信息采集與定位、無(wú)人機(jī)自主避障、無(wú)人機(jī)自主航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)人機(jī)設(shè)備研發(fā)、無(wú)人機(jī)智能控制算法等關(guān)鍵技術(shù)方面還存在許多難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

（1）井下無(wú)人機(jī)飛行信息采集、反饋與智能控制技術(shù)。由于井下無(wú)法接收GPS信號(hào)，僅依靠高精度慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（IMU）對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行速度、設(shè)備狀態(tài)等信息進(jìn)行定位，存在一定的數(shù)據(jù)精度誤差，無(wú)法滿足長(zhǎng)距離自主飛行的無(wú)人機(jī)智能控制，在面對(duì)跨度較大、深度較深的采空區(qū)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的自主飛行探測(cè)。而井下無(wú)人機(jī)飛行信息的精確采集與定位，是井下復(fù)雜空區(qū)環(huán)境下無(wú)人機(jī)智能飛行探測(cè)的基礎(chǔ)。

（2）井下無(wú)人機(jī)的自主避障技術(shù)。目前，無(wú)人機(jī)在采空區(qū)飛行探測(cè)中主要是通過(guò)三維激光掃描儀的激光測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)自我避障功能，該方法雖然精度高、速度快，但更適用于簡(jiǎn)單規(guī)則的環(huán)境障礙，在面對(duì)井下不規(guī)則、突發(fā)障礙時(shí)難以及時(shí)躲避，容易發(fā)生無(wú)人機(jī)碰撞事故。因此，在無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主飛行功能時(shí)，通常是由測(cè)量人員手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行三維掃描作業(yè)，由于采空區(qū)內(nèi)視線差、粉塵濃度高，導(dǎo)致探測(cè)作業(yè)的操作難度大大增加。因此，亟需攻克井下采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)人機(jī)自主避障技術(shù)，提高設(shè)備的安全性，降低操作難度。

（3）井下無(wú)人機(jī)航線自主規(guī)劃技術(shù)。本試驗(yàn)中利用了傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的結(jié)果來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)自主飛行航線進(jìn)行全局規(guī)劃，但受限于井下采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境，無(wú)人機(jī)在采空區(qū)內(nèi)飛行過(guò)程中出現(xiàn)需要立即處理的任務(wù)或障礙物時(shí)，人為預(yù)設(shè)的全局路徑規(guī)劃難以及時(shí)控制無(wú)人機(jī)，因此亟需開(kāi)展井下采空區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)人機(jī)全局與局部航線規(guī)劃研究。

（4）井下無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸技術(shù)。由于井下無(wú)GPS信號(hào)、缺乏環(huán)境先驗(yàn)信息，穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)傳輸，是無(wú)人機(jī)設(shè)備在采空區(qū)三維掃描探測(cè)作業(yè)中安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。此外，受到井下環(huán)境的信號(hào)干擾與信號(hào)傳輸距離的限制，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離復(fù)雜環(huán)境下的空區(qū)無(wú)人機(jī)自主探測(cè)作業(yè)，亟需開(kāi)展井下無(wú)人機(jī)與其配套智能設(shè)備之間的通訊傳輸技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)探測(cè)無(wú)人機(jī)掃描設(shè)備的通訊與數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

（5）采空區(qū)探測(cè)無(wú)人機(jī)環(huán)境感知、控制算法與智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究。基于目前熱門的無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)［18-20］，針對(duì)井下采空區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，利用空間位置解算算法、圖像差分算法、特征檢測(cè)算法、以及智能優(yōu)化搜索算法來(lái)開(kāi)展無(wú)人機(jī)井下采空區(qū)探測(cè)作業(yè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)環(huán)境感知、智能控制研究，最終實(shí)現(xiàn)井下采空區(qū)無(wú)人機(jī)的完全自主飛行掃描探測(cè)。

（6）井下無(wú)人機(jī)搭載能力及續(xù)航時(shí)間。在采空區(qū)無(wú)人機(jī)三維掃描探測(cè)中，無(wú)人機(jī)不僅需要攜帶三維掃描儀，還需配備紅外攝像、光學(xué)CCD等傳感器設(shè)備，對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的外接口數(shù)量和兼容性有很高要求，同時(shí)搭載設(shè)備的增加會(huì)使無(wú)人機(jī)重量增大，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行能力和續(xù)航時(shí)間造成較大影響，因此，如何解決無(wú)人機(jī)的搭載能力和延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間是井下無(wú)人機(jī)采空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié) 論

（1）簡(jiǎn)述了無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)原理與作業(yè)流程，將傳統(tǒng)三維激光掃描方式與無(wú)人機(jī)三維激光掃描獲得的空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析出無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

（2）以云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦為試驗(yàn)礦山，采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)對(duì)Ⅱ-1礦體775-1采空區(qū)進(jìn)行掃描，最終構(gòu)建出更為精準(zhǔn)的775-1采空區(qū)實(shí)測(cè)模型。

（3）討論了無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)的困難和挑戰(zhàn)。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，無(wú)人機(jī)三維激光掃描具有高效、靈活、安全等特點(diǎn)，在采空區(qū)探測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用前景。

致 謝感謝玉溪大紅山礦業(yè)有限公司為本項(xiàng)目的無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)采空區(qū)探測(cè)提供試驗(yàn)場(chǎng)地，并提供了采空區(qū)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。