基于SLAM技術移動式三維激光掃描儀在礦山井下測量中的應用

0 引言

隨著礦業信息化的發展，數字化礦山正向信息集成、裝備智能、決策科學、綜合應用的方向發展，數字化礦山建設已經成為礦山行業轉型升級的必經之路。其中，礦山測量包括地面和井下，尤其對于礦山井下測量，為查清礦山開采現狀，特別是狹長封閉且內部環境復雜的井下巷道掘進情況，準確指導礦山企業自覺安全生產、守界開采，是貫穿整個數字化礦山建設的重要環節。經緯儀、全站儀結合RTK技術等傳統測繪技術手段所采集數據成果無法準確完整呈現礦山的開采現狀，滿足不了數字化礦山安全生產與建設的要求，而三維激光掃描技術突破了傳統單點精確測量的局限，具有連續、快速、非接觸、自動、全天候工作等優勢，可以大面積地采集礦山內部的三維點云數據。因此基于三維激光掃描儀獲取高精度高分辨率的數學模型，為礦山安全生產、安全性評價的可靠性以及實現數字化礦山建設提供豐富多樣的基礎資料。

1 SLAM基本原理

SLAM三維激光掃描系統，意為“同步定位與地圖構建”。它不依賴衛星信號，在封閉有限空間內可以進行實時移動式的測量，快速進行礦山采空區的數據采集。它由激光掃描儀、慣性測量單元與SLAM算法三個主要要素組成，其核心技術為SLAM算法。

該算法主要是決定了解算出的高動態移動軌跡的精準度，移動軌跡的精準度決定了空間場景三維數據的精準度。SLAM算法根據激光測距儀所獲得三維數據中時間軸上共同的特征點加上IMU獲取的姿態數據，進行實時解算設備從出發點移動的距離、角度信息、逆向構建連續的空間場景數據。如圖1所示。

圖1 SLAM技術路線圖

2 三維激光掃描儀在礦山井下測量中應用優勢

礦山井下開采巷道結構錯綜復雜，內部四通八達，沒有通信訊號，沒有天然光源，地面潮濕，而且礦山往往正處在生產狀態，列車往來運輸礦石。受空間狹長、通視條件差，無衛星信號，不易設站等復雜因素影響，傳統礦山井下測量手段對新開挖的巷道的空間位置、形態、變形觀測等三維立體數據未能予以正確及時獲取。為滿足礦山安全生產要求，發揮數字化礦山實時管控開挖管理作用，需要對其內部進行測量，獲取井下礦山開采現狀的精確三維信息。但利用傳統常規的測繪儀器無法進行現場測繪或者效率低下，需重復設站和轉站，測量精確度也難于滿足新的要求。

三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，為快速重建整個構筑物的全部空間幾何特征，以點云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息，并可以逼真地保留被掃描對象的紋理。目前，三維激光掃描儀有很多種選擇，大多為進口設備。其中，GeoSLAM ZEB-HORIZON移動式三維激光掃描儀作業方式靈活，僅用一人就可以實現室內外一體化掃描作業，作業時間短，無需換站，連續采集，具有連貫性。有效解決了傳統作業方式儀器設備組裝困難，不方便操作、時間長、工作效率低等難題。

同傳統數據采集方法相比，三維激光掃描技術具有自己獨特的優勢：①數據采集速度快，外業時間短；②數據量大，精確度高；③主動性強，不依賴光照；④處理自動化，信息傳輸快；⑤表達容易，點云數據不僅包含空間坐標信息，同時還包含點位的屬性信息。由此可見，三維激光掃描技術對于在進行狹長型結構的礦山井下測量工作要比傳統測量方法具有更大的優勢。

3 GeoSLAM ZEB-HORIZON移動式三維激光掃描儀礦山井下測量應用實踐

某項目需要進行湖南某金礦山井下+180水平測量，巷道長度約500米，需要掌握新開采巷道的開采現狀。根據測區實際情況，在掃描前，進行現場踏勘，規劃行走路徑，分區形成閉合環，保證有一定的掃描重疊度，對巷道進行掃描，獲得高質量點云數據。結合地表布設的4個絕對坐標控制點，并以此為基礎，開展移動式三維激光掃描儀在礦山井下測量的應用研究，包括內業三維點云數據拼接融合、切面處理和平面圖繪制等。礦山井下測量一體化流程如圖2所示。

圖2 礦山井下測量一體化流程圖

3.1 外業數據采集

本次投入外業人員1名，設備一套。外業操作簡單，一鍵開機30秒完成初始化后，背上放有電池和數據記錄器的背包，平穩拿起掃描頭，按規劃的線路勻速行進，就可以在走動中完成掃描，其掃描測程100米，點云相對精度優于±3cm，飛螢相機實時記錄掃描過程中所拍攝到的影像信息，通過后處理可以使點云帶有彩色紋理信息或者作為輔助識別井下構筑物及生產設備位置與現狀的依據。如圖3所示。

圖3 掃描行進斷面圖

3.2 點云拼接融合

GeoSLAMZEB-HORIZON設備掃描完成后，數據通過U盤自動下載，進行數據檢查和參數設置，將數據導入到GeoSLAM Hub軟件進行自動解算，自動化程度高，無需人工干預。對多段已轉換坐標的分段掃描數據，需進行拼接融合，融合后需進行噪點剔除及數據簡化處理，增加點云的可視化效果，如圖4所示。

圖4 巷道點云數據拼接圖

3.3 數據坐標轉換

GeoSLAM ZEB-HORIZON設備采集的點云數據坐標是相對的，需要轉換成絕對坐標，需在各分段掃描的巷道兩端布設控制點，掃描時將基準版放置在控制點上靜止5秒，系統便可自動記錄該控制點的參考點位。為避免轉換誤差累積，數據轉換計算采用仿射變換方式。最后通過GeoSLAM HUB軟件進行校正坐標即可，軟件自動生成轉換后的相對精度報告。

3.4 依據點云成圖

完成數據拼接和坐標轉換后，需對點云數據質量進行檢查，將符合精度要求的點云導入到GeoSLAM Draw軟件進行點云編輯制圖。當同步影像與點云相匹配之后，可以查看點云數據的整體3D效果，也可以以2D效果圖顯示，點云數據還能夠以RGB真彩色來顯示，與最終成果圖對比起來會顯得更加的直觀有效，可以清楚查看巷道開挖的現狀情況。也可以將點云模型插入到CAD軟件中，根據點云輸出正攝影像文件，提取坐標，平剖面切割，繪制線劃圖DLG等，如圖5、圖6所示。

圖5 巷道實體模型圖

圖6 點云數據與常規測量套合圖

3.5 精度評定

為了驗證GeoSLAMZEB-HORIZON移動式三維激光掃描儀的精度，對正在開采的某小段巷道已知采礦石量進行體積測算，驗證哪種測量手段更加接近真實值。通過分類提取巷道的特征點數據集，如巷道頂上布設的控制點等，并采用傳統的全站儀等常規測量手段對其精度進行可靠性驗證，對掃描精度進行了評定，并對其誤差進行分析。為了保證真實值的準確性，在現場對采空區礦石的體重進行了重新測算，獲取該巷道礦石體重為：2.66噸/立方米。

通過使用GeoSLAM掃描儀和全站儀結合RTK兩種手段對采空區進行測量，數據情況如表1。

表1 測量數據

使用三維激光掃描儀測量的結果，與真實值只相差了6.3噸，而且掃描時間更短，獲取點數更多，如果測量更大的采空區，精度會更高。結果證明移動式三維激光掃描技術完全能夠滿足礦山井下測量的精度要求，為三維激光掃描技術在礦山的推廣應用提供了借鑒。

4 結語

綜上所述，相對于全站儀結合RTK等傳統測量技術，本文分析了基于SLAM技術移動式三維激光掃描儀在礦山井下測量原理和方法。對于結構復雜不規則礦山井下開采巷道測量方面，結構設計輕巧的GeoSLAMZEBHORIZON移動式三維激光掃描儀更具有無可比擬的優勢，節省成本，提高效率，精度更高，增創收益。進一步完善礦山實時動態的開采監管體系，努力實現礦山科學管理以及數字化礦山的建設。同時，GeoSLAM ZEB-HORIZON三維激光掃描儀還可支持多種平臺搭載使用，以滿足其它更復雜的測繪環境需求，真正做到物盡其用。