三維激光掃描技術在礦山尾礦庫安全監(jiān)測中應用

王志軍

1 引言

礦山尾礦庫的安全監(jiān)測對于加強尾礦庫的安全監(jiān)管，把握礦山的安全現(xiàn)狀，減少尾礦庫的事故發(fā)生等具有重要意義。當前，我國尾礦庫安全運行的主要技術參數(shù)如壩體形變位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進行測量，安全監(jiān)測工作量大、受天氣、人工、現(xiàn)場條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差。將三維激光掃描測量技術應用于尾礦庫安全監(jiān)測，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態(tài)，有利于及時掌握尾礦庫的運行狀況和安全現(xiàn)狀，可以提高尾礦庫的安全性，保障庫區(qū)下游企業(yè)正常運轉及庫區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，避免因尾礦庫事故而造成的環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境。該技術已作為歐美大部分國家和地區(qū)道路、隧道、高層建筑、礦山的主要檢測手段之一，多個國家已將該技術作為道路、隧道、高層建筑、礦山施工的強制性質量監(jiān)督手段。

在礦山安全監(jiān)測監(jiān)控體系中，三維激光測控技術是前沿熱點和亮點，該測控技術具有非接觸、高精度、快速、海量信息、全自動化、便捷的顯著優(yōu)勢。本文針對礦山尾礦庫復雜的應用環(huán)境，監(jiān)控精度要求、點云數(shù)據(jù)采集、誤差要求等問題提出監(jiān)測監(jiān)控方法，通過三維激光測量技術可對礦山進行監(jiān)控，為礦山尾礦庫周邊環(huán)境、壩體位移、沉降情況提供科學準確的測量數(shù)據(jù)，同時也能及時掌握礦山關鍵部位位移等情況的趨勢，對提高礦山危險源的安全性，保障礦山周邊企業(yè)正常運轉及庫區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，避免因礦山事故而造成的環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境等具有十分重要的科研價值和現(xiàn)實意義。

2 三維激光掃描技術介紹

三維激光掃描技術的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)”是繼GPS (Global Position System)技術以來測繪領域的又一次技術革命。三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新，將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進入新的發(fā)展階段。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的結合。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復雜的費時費力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環(huán)境下應用；并且可以和GPS等集合起來實現(xiàn)更強、更多的應用。

三維激光掃描技術在礦山尾礦庫安全監(jiān)測監(jiān)控中的應用具有如下優(yōu)點：速度快，瞬時掃描大量點云數(shù)據(jù)，快速對三維場景進行1:1復制，采樣速率高，對目標的描述細致；三維數(shù)據(jù)點云的三維幾何場，采樣點數(shù)豐富, 形成了一個基于三維數(shù)據(jù)點云的三維幾何場, 這能有效避免以往基于變形監(jiān)測點數(shù)據(jù)的應力應變分析結果中所帶有的局部性和片面性；非接觸，數(shù)據(jù)獲取采用主動式激光獲取，不需要測量合作目標，能夠實現(xiàn)對保護目標、危險區(qū)域或測量人員難以到達的區(qū)域進行測量；周期短，便于動態(tài)分析，短期獲取大量數(shù)據(jù)，便于動態(tài)變形分析與預報，快速為決策者提供依據(jù)；全天候測量，三維激光掃描儀可以全天候的進行測量，無需光照需求，傳統(tǒng)方法必須在白天或者較明亮的地方進行測量；真實再現(xiàn)性，三維激光掃描技術可將各種實體和實景的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速復建出被測目標三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。所生成的點云數(shù)據(jù)是實際物體真實尺寸的復原，結合高分辨率的數(shù)碼相機，可以真實地保留對象物體的紋理色彩信息。

圖1 礦山尾礦庫三維激光掃描安全監(jiān)測技術路線

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取

對于不同的礦山尾礦庫以及不同的監(jiān)測要求，采用了包括相位式和脈沖式兩種三維激光掃描技術在內的多種三維激光掃描設備，因此在研究中需要分析各種三維激光掃描設備的數(shù)據(jù)獲取方法，數(shù)據(jù)處理方法和數(shù)據(jù)融合方法，從而得到可廣泛應用的尾礦庫三維激光掃描測量方法。

3.1 現(xiàn)場踏勘與定點

在采用脈沖式三維激光掃描設備時，由于該類設備的掃描范圍為1000m及以上，且在使用中通常采用400m以上的遠距離掃描，因此在進行尾礦庫三維激光掃描時需從多測站角度對尾礦庫壩體，水域及周邊環(huán)境進行掃描。在掃描前需要根據(jù)項目的要求和具體情況進行分析,以確定掃描方案。一般先確定需要掃描的范圍，在確定掃描范圍后應根據(jù)手上的設備類型來初步?jīng)Q定掃描站點的位置分布，應確保掃描范圍覆蓋尾礦庫壩體、水域、排洪系統(tǒng)及上下游重要區(qū)域。在掃描過程中如需采用GPS系統(tǒng)或全站儀輔助進行站點及后視點定位時，通常需要使用已有控制點進行定位和坐標轉換。

3.2 掃描實施

確定掃描方案后，就可以具體實施掃描，在方案定下的掃描站點上架設三維激光掃描儀，架設掃描儀時應將掃描儀適當?shù)募芨撸粊磔^高的機位能夠避免掃描儀被周邊物體過度遮擋；二來也能夠避免掃描激光束與地面夾角過小而造成掃描精度下降。使用脈沖三維激光掃描儀對目標進行掃描時，應從掃描儀視野范圍中圈選出被掃描物體以大大減少掃描時間，提高效率；使用相位三維激光掃描儀掃描時則可以進行全景掃描。點云的密度取決于激光點位間隔，對細節(jié)較多的建筑應采用1cm激光點位間隔掃描，墻體平滑的部分可采用2cm及以上間隔。另外，掃描區(qū)域周圍的人流也會產(chǎn)生噪點，掃描后應及時觀察點云以確定是否需要補掃或重復掃描。掃描完成后，還要對掃描區(qū)域進行拍照，獲取色彩和紋理信息。當掃描儀自帶攝像頭像素太低不能滿足貼圖要求時，要用高像素數(shù)碼相機手動補拍。照片可作為該區(qū)域建模后的貼圖使用，也可為多站拼接提供參考。

3.3 點云數(shù)據(jù)處理與建模

云的預處理。由于掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標的阻擋和遮掩，如移動的車輛、行人樹木的遮擋，及實體本身的反射特性不均勻，需要對點云經(jīng)行過濾，剔除點云數(shù)據(jù)內含有的不穩(wěn)定點和錯誤點。實際操作中，需要選擇合適的過濾算法來配合這一過程自動完成。

點云拼接。對于在不同掃描站點得到的掃描數(shù)據(jù)，需要對其進行拼接以將它們歸納到統(tǒng)一的坐標系中去。相位式三維激光掃描儀數(shù)據(jù)拼接的方法通常有靶標拼接和點云特征點拼接兩種：靶標拼接使用控制點配準，將點云配準到控制網(wǎng)坐標系下；而對于靶標缺失或不全的點云，利用公共區(qū)域尋找同名點對其進行兩兩配準。點云特征點拼接為兩兩配準，為了將所有點云轉換到統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標系下與控制點配準法得到點云配在一起，兩兩配準時要求其中一站必須為已經(jīng)配到控制網(wǎng)坐標系下的點云。拼接完成后，可以在軟件中查看拼接報告，各個點云間的拼接精度不超過5mm時為佳。脈沖式三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的拼接方法主要有使用站點及后視點坐標拼接和點云匹配兩種。

建立三維模型。當通過掃描及拼接獲取大量離散的空間點云數(shù)據(jù)后，在此基礎上來構造三維模型。首先利用逆向工程軟件，如Geomagic、Polyworx、I-site studio等對掃描點云數(shù)據(jù)進行處理，生成DTM模型，然后根據(jù)DTM模型進行參數(shù)提取、地形圖制作等工作。

3.4 點云的漏洞修復

由于點云本身的離散性，會導致模型存在一定缺陷，需要在多邊形階段對其進行修補、調整等操作后，才能得到準確的實物數(shù)字模型。由于建筑物形狀復雜多樣，所以目前網(wǎng)格的修補難以實現(xiàn)全自動化。點云數(shù)據(jù)的漏洞修復主要采用兩種方法:當空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內，比如窗戶或者墻面上的洞，可采用線性插值的方法填補空洞數(shù)據(jù);當空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，如圓柱上出現(xiàn)的漏洞，可采取二次曲面插值方法。

3.5 維激光測量精度控制

為驗證項目所使用三維激光掃描測量儀實際精度以及可能測量誤差范圍，本項目參與人員在室外選定試驗場中進行三次三維激光掃描儀精度實驗，用以驗證三維激光測量實際精度。第一次實驗時間為2014年5月27日，實驗位置室外，天氣晴，溫度27度，無風。實驗目的是通過三維激光掃描儀對不同距離處的標準版進行掃描，比較每次掃描結果中掃描點間距變化情況和測量標準版上靶標間距，測試掃描儀對于平面掃描時點間距和掃描結果的測量誤差變化情況。

為了對三維激光掃描測量的精度進行有效控制，根據(jù)對三維激光掃描設備實驗結果和工程測量以及重大危險源監(jiān)測中的要求，三維激光掃描操作需要滿足以下操作要求： 在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，應保證相位式三維激光掃描儀與目標間的水平間距不超過20m，以保證三維激光掃描儀的線性誤差和點云密度均小于1.5mm，并且減小角度精度誤差。應保證脈沖式三維激光掃描儀所獲數(shù)據(jù)點云中點云分辨率小于20mm；三維激光掃描中所使用的控制點均應使用1’’全站儀進行控制點測量，并采用多次測量的方式保證測量誤差小于1.5mm，以此減小全站儀控制點測量誤差和人為操作的誤差；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，應避免在雨、雪、強烈日照等環(huán)境下工作，以減少環(huán)境影響引起的噪聲誤差，且被測罐體表面若光滑且反射率較高或較低時應采用噴漆等方式調整反射率至50%左右；三維激光掃描數(shù)據(jù)處理時，若需要降低分辨率時應保證點云分辨率不大于20mm；三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接時應盡量采用軟件自動識別靶標中心以減小人為誤差。三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接誤差由數(shù)據(jù)拼接軟件自動計算標準差，其中任意控制點的標準差均應小于3mm。

4 礦山安全監(jiān)測

4.1 礦山形變監(jiān)測

在尾礦庫安全監(jiān)測監(jiān)控中，對尾礦庫壩體的整體沉降與形變的監(jiān)測會為尾礦庫安全情況的分析提供依據(jù)，因此通過利用三維激光掃描技術獲取尾礦庫壩體的整體幾何外形并進行沉降與形變情況分析是尾礦庫安全監(jiān)測的一項重要內容，本文選用2013年7月及2013年9月兩次對四川省阿壩州某礦山尾礦庫的大小兩處壩體進行三維激光掃描并進行尾礦庫形變監(jiān)測的應用示范。

圖2 礦山尾礦庫壩體形變情況圖

圖3 礦山庫容變化圖

由與壩體上植被高約為100mm，因此形變量在-100mm至+100mm內均應屬于允許范圍，故形變量在允許范圍內的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的90.78%，因此可以判定該壩體的形變在可接受范圍內，該壩體目前結構穩(wěn)定。與壩體上植被高約為100mm，因此形變量在-100mm至+100mm內均應屬于允許范圍，故形變量在允許范圍內的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的79.04%，因此可以判定該壩體的有20%形變超出可接受范圍，該壩體目前結構較為穩(wěn)定，但需要進一步關注與監(jiān)測。

4.2 礦山位移監(jiān)測

在礦山尾礦庫安全監(jiān)測監(jiān)控中，對尾礦庫壩體的位移通常很小，因此對于尾礦庫壩體位移的監(jiān)測精度要求相對較高，通過利用高精度的三維激光掃描技術將能夠獲取尾礦庫壩體的整體幾何外形并進行位移情況分析，本節(jié)于2013年7月及2013年9月兩次對四川省阿壩州某礦山尾礦庫的大小兩處壩體進行三維激光掃描并進行尾礦庫位移監(jiān)測的應用示范。

通過對兩處尾礦庫壩體在2013年7月及9月兩次測量的最終數(shù)據(jù)選取壩體底部攔阻墻進行切面處理，建立切面模型。為兩處尾礦庫兩次掃描結果對比，通過對比及測量紅色線代表的2013年7月測量結果及藍色線代表的9月測量結果可得出兩個尾礦庫壩體在兩個月中水平位移均小于1厘米。壩體位移均為安全值，壩體結構穩(wěn)固。

4.3 礦山水域情況監(jiān)測

在尾礦庫監(jiān)測中對于庫頂水域的監(jiān)測是一項重要內容，其中庫頂水域面積、安全超高、干灘長度都對尾礦庫安全穩(wěn)定性具有決定性影響，因此對尾礦庫庫頂水域情況進行監(jiān)測是尾礦庫三維激光監(jiān)測監(jiān)控中的一項重要工作。

在對米易縣某礦山尾礦庫進行三維激光掃描監(jiān)測的過程中，根據(jù)2014年12月5日17時29分三維激光掃描測量結果，庫區(qū)面積599,927.153m2，庫頂水面高程1529.1，庫頂高程1535米，安全超高5.9米。庫頂干灘長度432米，最小干灘位置高程1532.7米，安全庫容1739788 m3。根據(jù)2011年12月安全現(xiàn)狀評價報告，2011年10月14日實測干灘長度323m，安全超高2.8m。

4.4 礦山新增排放方量計算

通過對在排放的尾礦庫多次掃描后進行模型比對，可以較為精確的計算尾礦庫的排放情況，從而實現(xiàn)及時的安全監(jiān)測與監(jiān)控，為安監(jiān)部門工作提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)2013年12月8日及2014年12月5日兩次對攀枝花某礦山尾礦庫進行三維激光掃描，通過將2013年12月數(shù)據(jù)與2014年12月測量數(shù)據(jù)對比，計算得出新增庫容為5,709,090.601m3 ，新增壩頂高10.4米。

4.5 礦山各臺階坡面監(jiān)測

通過在尾礦庫三維激光掃描點云數(shù)據(jù)和模型中進行測量及計算，可以分別計算出尾礦庫各臺階的坡面數(shù)據(jù)，從而與設計值進行比對，以判斷尾礦庫每級壩體的邊坡設計是否符合安全要求。對2014年2月鹽邊縣某尾礦庫及周邊環(huán)境的三維激光掃描及安全監(jiān)測中，通過對尾礦庫壩體進行三維激光掃描并建模，提取得到尾礦庫臺階剖面總體情況。選擇初期壩、子壩等7個不同標高平臺，測量坡比（坡面角）和平臺寬度（最寬、最窄），實測數(shù)據(jù)與設計參數(shù)對比，平臺寬度和坡比均滿足設計要求。

5 結論與討論

根據(jù)本次研究對三維激光技術在礦山尾礦庫安全監(jiān)測應用中積累的經(jīng)驗與研究成果，得出以下結論與建議:三維激光掃描技術可用于礦山重大危險源測控及安全監(jiān)管；三維激光掃描技術可用于礦山非煤礦山采場、尾礦庫、排土場等重大危險源的監(jiān)測與預警；不同三維激光設備的數(shù)據(jù)間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合；三維激光掃描技術可精確的反應非煤礦山采場、排土場、尾礦庫等重大危險源的真實幾何外形和地形情況，從而起到重大危險源監(jiān)測預警的作用。建議以此為契機進一步開展關于三維激光技術在重大危險源安全性檢測與對周邊環(huán)境影響評估的研究。