三維激光掃描技術在礦山測量中的應用與研究

劉志強

(山西中條山集團 篦子溝礦業有限公司，山西 垣曲 043703)

目前，我國正處于飛速發展的全新時期，礦山企業及礦山測量工作也將面臨新的機遇和挑戰[1]。礦山測量的主要工作包括地面測量和井下測量，一直以來我們延續礦山測量的任務包括建立礦區地面控制網并繪制礦區地形圖；對礦區內地面附著物進行測量，繪制礦區平面圖；對井下各類工程進行施工控制和竣工測量等[2]。但是隨著科學技術和綠色礦山建設要求的不斷提高，礦山二維圖紙已經無法滿足生產需求，因此探索更加先進并且適合礦山的新測量方法是當下礦山測量人面臨的共同問題[3]。

1 三維激光掃描技術概述

近幾年備受關注的三維激光掃描技術突破了傳統測量中單點測量的模式，該技術通過發射激光來掃描被測物，以獲取被測物體表面的三維坐標，其巨大優勢就在于可以大面積高分辨率快速掃描被測物體，掃描不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數據進行三維建模和虛擬重現，因此該技術被稱為實景復制技術[4]，作為當今時代的先進測量技術，其高精度、高效率的特點為礦井測量提供了新的思路、新的途徑[5]。

2 工程概況

山西省某銅礦，位于東經111°，北緯35°，占地面積216萬m2，礦區位于中高山區，山崖陡峭，地勢高低不一，最高海拔標高為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，井下有幾萬米錯綜復雜的井巷工程。原始的圖紙和數據均為紙質版，加上年代久遠，很多圖紙變形，數據丟失，2015年該企業由主產向殘礦回收轉移，為了更加合理地開采資源，避免重復設計施工引發安全事故，同時也為了滿足國家綠色礦山要求，企業決定構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建方案

3.1 移動式三維激光掃描儀

移動式三維激光掃描儀，該儀器具有SLAM技術，主要解決從未知環境的未知地點出發，針對空間不確定性在運動過程中通過重復觀測到的地圖特征，定位自身位置和姿態，再根據自身位置增量式地構建地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目的，該設備主要由手持探頭、采集器兩部分組成，有效測距30 m，測量范圍270°×360°。

該設備的外業操作非常簡單，根據測量任務確定測量路線，開機初始化后，由單人按照正常步行速度往返行走，即可完成測區點云數據的采集工作，掃描全過程可無任何控制點。內業需要運用專用解壓軟件GeoSLAM Hub對掃描點云數據進行解壓，即可獲得高密度的井巷工程點云數據，然后將掃描的點云數據導入數據處理軟件Cloud Compare進行點云數據查看、抽稀、降噪、剪切、漂移點的處理以及手動拼接等等一系列操作，最終得到地下礦山整體空間點云數據，最后將點云數據導入Geomagic Control建模軟件對點云數據進行降噪、刪除體外孤點、封裝、簡化以及網格修復等等一些列的優化實現逆向建模，完成井下工程實體模型創建工作，移動式三維激光掃描儀獲取點云如圖1。

圖1 手持三維激光掃描儀獲取的井巷工程點云拼接圖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毫米級精度、測角精度1 s、自動追蹤照準棱鏡的高精度全站儀，同時又是一臺高速激光掃描、全景掃描+內置廣角相機的三維激光掃描儀；既可以進行高精度的自動化測量，也可以實現精細掃描。其巨大優勢就在于可以直接定位絕對坐標并通過三維激光掃描技術快速掃描被測物體，掃描不需反射棱鏡即可直接獲得被測井巷工程高精度的掃描點云數據，在獲取井巷工程點云數據后進行點云自動拼接，通過配套軟件進行數據處理，建立礦山三維可視化模型。

全站式掃描儀采用導線測量的方式進行，即架站完畢后，通過選擇測站點及后視點三維坐標，選擇點云掃描，便可以快速獲取該測站的井巷工程點云數據，通過全站儀功能，可以獲取下一個控制點的三維坐標，以此類推獲取整個井巷工程點云數據，測量過程中至少需要兩個已知控制點。內業將掃描采集到的點云數據導入數據處理軟件MAGNET Collage進行點云數據自動拼接、查看、抽稀、降噪、剪切等等處理，最終得到測量區域的井巷工程點云數據，最后將點云數據導入Geomagic Control建模軟件進行降噪、刪除體外孤點、封裝、簡化以及網格修復等等一些列的優化，實現逆向建模，完成井下工程實體模型創建工作。全站式掃描儀獲取點云如圖2。

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

4 兩種測量方法優缺點

1)移動式三維激光掃描儀建模較傳統的測量技術具有更好的三維適應性；測量過程簡單，可由單人完成全部測量任務，在較短的時間內完成礦山井巷工程測量，極大地提高測量效率；可完整、詳實地反映地下空間現狀；獲取的點云數據可以與三維模擬軟件及開發設計軟件良好銜接，為數字化開采及管理提供三維數據；配合第三方軟件可用于驗方測量、超、欠挖核對等；可為中深孔等采礦設計提供準確的平剖面圖及采掘工程實體模型等等。缺點在于在沒有控制點的情況下完全依靠相似點進行手動拼接，長距離多站式的井巷工程會出現模型偏差，即便是利用已知控制點和標靶球，也不能保證在進行點云擬合時，每次捕捉到的球心就是控制點中心，有一部分偶然誤差存在其中，從而降低了測量精度。

2)全站式三維激光掃描儀優點在于其可以在短時間內獲取井巷工程三維點云數據，極大地提高工作效率；運用全站儀絕對定位的巨大優勢采集到絕對坐標下的井巷工程點云數據，而且后期的點云數據可以通過軟件進行自動拼接；可以在進行導線測量的同時進行井巷工程點云數據獲取，簡化作業過程；運用其高速激光掃描、全景掃描+內置廣角相機功能可以獲取井巷工程實景照片，在后期處理過程中進行貼圖，獲取井巷工程實景模型；通過其測量機器人功能，配合PC端可由單人完成全部測量任務；獲取的點云數據可以很好地與三維模擬軟件及開發設計軟件良好銜接，為數字化開采及管理提供三維數據；配合第三方軟件可用于驗方測量、超、欠挖核對等；可為中深孔等采礦設計提供準確的平剖面圖及采掘工程實體模型等等。缺點在于首先其價格昂貴；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據，在遇到坑凹時激光束遮擋，造成點云數據不全，想要完全完整、真實地反映地下空間現狀只能通過近距離多次架站的方式來獲取。

5 點云數據融合

結合兩種測量設備獲取井巷工程點云數據的優缺點，想要快速獲取絕對坐標下高密度點云數據來構建井巷工程三維可視化模型，可以將兩種測量設備采集到的點云數據進行融合，即將兩者設備采集到的點云數據統一保存為同一種格式，比如Cloud Compare Stereo都識別的.las格式，在Cloud Compare Stereo點云處理軟件下將移動式三維激光掃描儀采集到的點云數據進行裁切、移動等操作，對全站式三維激光掃描儀采集到的絕對坐標下點云數據相對稀少的位置進行補充，這樣就可以獲取井巷工程高密度點云數據，最后將點云數據導入逆向建模軟件Geomagic Control即可快速構建絕對坐標下完整的井巷工程三維可視化模型。

6 結語

通過某中型銅礦井下實際運用表明移動式三維激光掃描儀較適合運用于短距離工程或者相對隱蔽、獨立工程三維可視化模型的獲取，如溜井、采場以及礦堆立方量計算等等；全站式三維激光掃描儀較適合運用于長距離中間無較大變化工程的三維可視化模型獲取，如運輸巷道、斜坡道工程等，兩種測量方法均可獲取滿足當下高精度數字化礦山井巷工程三維可視化模型，兩種測量方法數據融合效果更佳。總之，三維激光掃描技術在礦山平穩、高效、安全生產中將發揮巨大作用。