基于三維激光掃描技術(shù)的金礦采空區(qū)調(diào)查對比分析研究

摘要：本文采用三維激光掃描技術(shù)，分別使用手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀和站式天寶TX8三維激光掃描儀2種設(shè)備進(jìn)行井下采空區(qū)測量，結(jié)合GeoSLAM Hub、RealWorks、Geomagic Studio等相關(guān)軟件，進(jìn)行了點云的去噪、抽稀、三維建模等一系列處理，快速有效地計算出采空區(qū)的體積、金屬量等相關(guān)信息。通過手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀和天寶TX8站式三維激光掃描儀數(shù)據(jù)對比和精度評定，發(fā)現(xiàn)手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀更適合遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境的井下測量，經(jīng)過多站測量后的數(shù)據(jù)采集更加高效，測量精度更加準(zhǔn)確，能夠為國土、公安等相關(guān)部門提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；采空區(qū)；三維建模；金屬量；精度評定

中圖分類號：P237文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.09.010

引文格式：孫萌鑫，冷芳，邢曉平，等.基于三維激光掃描技術(shù)的金礦采空區(qū)調(diào)查對比分析研究［J］.山東國土資源，2024，40（9）：74-78. SUN Mengxin， LENG Fang， XING Xiaoping， et al. Comparative Analysis on Gold Goaf Survey Based on Three-dimensional Laser Scanning Technology［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（9）：74-78.

0引言

近年來，山東省積極開展非金屬礦山采空區(qū)調(diào)查工作。煙臺市金礦資源豐富，礦山經(jīng)過多年開采，采空區(qū)存在塌陷、冒落等風(fēng)險。在此條件下，為規(guī)范山東省非金屬礦山安全生產(chǎn)，消除安全隱患，急需進(jìn)行金礦的采空區(qū)調(diào)查研究工作。

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域眾多，其中，在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用尤為強大［1-2］。在以往的采空區(qū)調(diào)查中，以煤礦、石膏礦居多，且常用的方法是高密度電阻率法、氡氣探測法、地震勘測法等［3-8］。但在金礦采空區(qū)調(diào)查中，簡單且常用的方法是利用物探技術(shù)進(jìn)行調(diào)查［9-10］。但對于時間緊、深度高的采空區(qū)，很難利用物探技術(shù)進(jìn)行調(diào)查［14-19］，為了準(zhǔn)確地測量采空區(qū)的體積和金屬量等信息，利用ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀、天寶TX8站式三維激光掃描儀地種設(shè)備分別對該金礦進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確的獲取了采空區(qū)的體積、金屬量等關(guān)鍵信息。

1項目概述

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省煙臺龍口市，為山東省下轄縣級市，由煙臺市代管。龍口市位于膠東半島西北部、渤海灣南岸，東鄰蓬萊區(qū)，南鄰棲霞市、招遠(yuǎn)市，西、北瀕渤海，天津、大連隔海相望。龍口市屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，氣候變化平緩。龍口市是國內(nèi)濱海煤炭基地、山東省國家煤炭儲備基地，可保障膠東半島半數(shù)以上的用煤，沿海大陸架下蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，為膠東半島提供大量清潔能源，市內(nèi)黃金、花崗巖等礦產(chǎn)儲量豐富，存在一定的采空區(qū)安全隱患。

1.2數(shù)據(jù)獲取方式

本研究采用三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，分別使用手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀、天寶TX8站式三維激光掃描儀2種設(shè)備，分為2組同時掃描作業(yè)。其中，手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀是基于SLAM算法的移動式三維激光掃描系統(tǒng)，可以不依靠GPS技術(shù)動態(tài)測量和記錄不同環(huán)境下的空間三維信息，其設(shè)備具有便攜、采集效率高、靈活性高的特點；而天寶TX8站式三維激光掃描儀可在短時間（約2～4min）內(nèi)完成一次典型的測繪任務(wù)，同時結(jié)合RealWorks可導(dǎo)入主流Auto CAD等軟件的進(jìn)行高效數(shù)據(jù)分析。

1.3研究方法

三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取物體表面空間坐標(biāo)、顏色、反射強度等信息，在巷道圍巖變形監(jiān)測、井下采空區(qū)測量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［20-21］。本研究采用手持ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀、天寶TX8站式三維激光掃描儀進(jìn)行采空區(qū)掃描、數(shù)據(jù)處理與分析，通過對比分析，研究更適合井下采空區(qū)測量的方式方法。

2采空區(qū)測量

2.1三維激光采空區(qū)測量

測量人員沿主巷道、沿脈巷、穿脈巷、天井及溜井進(jìn)行井巷工程測量，主要流程有下井前的準(zhǔn)備工作、測站點選擇與控制點測量、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸與點云數(shù)據(jù)處理、成果數(shù)據(jù)計算等。

2.1.1ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀

（1）準(zhǔn)備工作。

①儀器機具：ZEB-HORIZON型便攜三維激光掃描儀、激光測距儀、錘球、棉線、鋼卷尺；

②配套軟件：GeoSLAM Hub、RealWorks、Geomagic Studio等；

③人員安排：需儀器操作員、安全員各1人；

④檢查事項：檢查掃描儀和激光測距儀電量是否充足，使用是否正常。

（2）測站控制點選擇與測站控制點測量。

測站控制點布設(shè)點位應(yīng)平整、無積水、視線良好，且測站控制點應(yīng)盡可能均勻布設(shè)。在選擇起測站點的頂板坐標(biāo)位置懸掛棉線和垂球，將頂板點位引到地面，并做好標(biāo)記，利用激光測距儀測量該點頂板至地面的距離。

（3）數(shù)據(jù)獲取。

三維激光掃描儀啟動后，將掃描儀機頭底座中心放置于控制點標(biāo)記處靜止10 s，掃描儀將自動識別并錄入該位置為測站點位，隨后手持掃描儀跟隨安全員沿巷道工程移動，對巷道進(jìn)行掃描，當(dāng)測量人員持便攜式掃描儀移動到控制點位時，再次將掃描儀機頭底座中心放置于控制點標(biāo)記處，保持掃描儀靜止10 s，每次掃描任務(wù)至少需掃描3個控制點，完成掃描后返回起始點進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。

（4）數(shù)據(jù)傳輸與點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeoSLAM Hub軟件，輸入控制點坐標(biāo)，平差計算后為點云數(shù)據(jù)賦予坐標(biāo)，最后導(dǎo)出帶有坐標(biāo)數(shù)據(jù)的laz格式壓縮點云。將壓縮點云導(dǎo)入RealWorks軟件中，各個測站的點云通過特征點進(jìn)行拼接，拼接后經(jīng)過去噪處理，生成可利用的點云數(shù)據(jù)。

2.1.2天寶TX8站式三維激光掃描儀

（1）準(zhǔn)備工作。

①儀器機具：天寶TX8站式三維激光掃描儀、標(biāo)靶球、三腳架；

②配套軟件：RealWorks、AutoCAD 2016、Geomagic Studio等；

③人員安排：需儀器操作員、輔助人員、安全員各1人；

④檢查事項：檢查掃描儀和激光測距儀電量是否充足，使用是否正常。

（2）測站控制點選擇與測站控制點測量。

測站控制點應(yīng)均勻布設(shè)且特征明顯，為減少測量次數(shù)和便于拼接，設(shè)備應(yīng)盡量選擇在巷道交匯處，在合適的位置整平后，為做好測站之間的銜接工作，每測站至少放置4個標(biāo)靶球，通過標(biāo)靶球?qū)崿F(xiàn)兩站之間的拼接，選擇特征點明顯的控制點并做好標(biāo)記，以便內(nèi)業(yè)坐標(biāo)輸入。

（3）數(shù)據(jù)獲取。

三維激光掃描儀開機后設(shè)置任務(wù)和掃描參數(shù)，放置標(biāo)靶球后按開始鍵啟動掃描儀。測量人員遷站需由安全員帶領(lǐng)，并注意兩站之間的銜接，盡可能減少測站遷移兩站拼接產(chǎn)生的誤差。

（4）數(shù)據(jù)傳輸與點云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

將三維激光掃描儀中的的原始數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入RealWorks軟件，利用標(biāo)靶球進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，通過控制點賦予平面坐標(biāo)和高程信息，經(jīng)過去噪、點云稀釋處理，生成可利用的點云數(shù)據(jù)。

2.1.3數(shù)據(jù)建模

以該金礦某一中段數(shù)據(jù)為例，將掃描結(jié)果拼接后，形成整個中段的點云數(shù)據(jù)，將處理好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件進(jìn)行再次去噪、封裝后，創(chuàng)建三角網(wǎng)進(jìn)行三維建模，抽稀后的點云數(shù)據(jù)與建模結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

2.1.4數(shù)據(jù)計算

本次采用面積分割法進(jìn)行金屬量估算。估算公式見式（1）—式（3）：

式中：V—塊段體積；m′—塊段平均水平厚度；S′—塊段垂直投影面積；Q—塊段礦石量；D—礦石體積質(zhì)量值；P—塊段金屬量；C—塊段平均品位。

2.2ZEB-HORIZON掃描與TX8掃描對比

（1）掃描效率。

就井下采空區(qū)調(diào)查而言，相較于天寶TX8掃描儀，ZEB-HORIZON掃描儀的效率更高。具體表現(xiàn)在工作效率方面，ZEB-HORIZON掃描儀單站掃描時間為15 min，掃描巷道或采空區(qū)長度約500 m。TX8掃描儀單站掃描時間為2～4 min，掃描巷道或采空區(qū)長度長度根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境而定，單站掃描約30～80 m。總體而言，ZEB-HORIZON掃描儀每小時的工作效率約2 000 m，TX8掃描儀每小時的工作效率約750 m，ZEB-HORIZON掃描儀單站測量時間長，但整體的時間上掃描效率更高。

（2）掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對2種掃描數(shù)據(jù)處理后，通過對比發(fā)現(xiàn)，ZEB-HORIZON掃描儀掃描的數(shù)據(jù)分布均勻，而天寶TX8掃描儀在測站周圍點云稠密，距離測站較遠(yuǎn)處點云較為稀疏，30 m外點云數(shù)據(jù)更為稀少，在短距離、少測站情況下，TX8掃描測量的效果尚可，但長距離需多次設(shè)置測站，數(shù)據(jù)經(jīng)過多次拼接后誤差積累且越來越大。均勻的數(shù)據(jù)計算礦石量數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，因此，ZEB-HORIZON掃描儀掃描的井下數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。

（3）數(shù)據(jù)兼容性。

ZEB-HORIZON掃描儀掃描數(shù)據(jù)需借助于GeoSLAM Hub軟件，經(jīng)數(shù)據(jù)下載、導(dǎo)入及預(yù)處理后，賦予點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)，待運行結(jié)束后可查看點云數(shù)據(jù)的精度情況，同時可以導(dǎo)出laz格式的壓縮點云數(shù)據(jù)。天寶TX8掃描儀掃描數(shù)據(jù)則助于RealWorks軟件，經(jīng)數(shù)據(jù)下載、導(dǎo)入及匹配拼接后，可導(dǎo)出不同格式的點云數(shù)據(jù)，RealWorks軟件的優(yōu)點是兼容ZEB-HORIZON掃描儀掃描數(shù)據(jù)，從而使掃描數(shù)據(jù)處理更加快速高效。

3結(jié)果與精度評定

3.1結(jié)果

通過計算，該中段模型的體積為19 956.611 m3，表面積為42 611.193 m2，如圖3、圖4所示。

利用已有的采空區(qū)體積質(zhì)量值資料以及計算的采空區(qū)礦石量，結(jié)合取樣化驗測定采空區(qū)金礦石的平均品位后，有效獲取該中段金開采量。

3.2精度評定

無論是天寶TX8掃描儀還是ZEB-HORIZON掃描儀，其數(shù)據(jù)的精度都受井下控制點的約束。在掃描過程中，ZEB-HORIZON掃描儀不需要每一測站的拼接工作，因而不存在誤差累計，因此誤差相對較小。而天寶TX8掃描則需逐測站拼接從而導(dǎo)致誤差累計，且測站數(shù)越多誤差累計越大，因此誤差相對較大。

對天寶TX8、ZEB-HORIZON掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計算，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，天寶TX8掃描儀單站數(shù)據(jù)的掃描精度為毫米級，約1～2 mm；ZEB-HORIZON掃描儀單站數(shù)據(jù)的掃描精度在厘米及和亞米級之間，約2～20 cm（精度跟井下環(huán)境與控制點密切相關(guān)）；單站天寶TX8掃描儀的數(shù)據(jù)精度優(yōu)于ZEB-HORIZON掃描儀的數(shù)據(jù)精度，精度評定見表1、表2所示。

由于井下環(huán)境下沒有標(biāo)志性地物，TX8掃描儀的軟件自動化匹配程度較低，數(shù)據(jù)需要手動拼接，單站手動拼接誤差約1～3 cm，經(jīng)過多次拼接后誤差積累越來越大，因此多次拼接后的天寶TX8掃描儀掃描精度大大降低，經(jīng)五十測站后的拼接誤差能夠達(dá)到米級，誤差累計見表3，而ZEB-HORIZON掃描儀每站都有控制點，不存在誤差積累，因此在多次測站的ZEB-HORIZON掃描儀的數(shù)據(jù)精度優(yōu)于天寶TX8掃描儀的數(shù)據(jù)精度。

4結(jié)語

（1）在采空區(qū)調(diào)查中，特別是遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境下，ZEB-HORIZON掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)分布更加均勻，且在精度、效率方面明顯優(yōu)于天寶TX8掃描儀。

（2）在采空區(qū)調(diào)查中，ZEB-HORIZON掃描儀的外業(yè)掃描效率更高，作業(yè)時間更短。

（3）通過ZEB-HORIZON掃描儀對該金礦進(jìn)行采空區(qū)建模、計算礦量等工作，能夠有效為采空區(qū)調(diào)查、治理等工作提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為國土、公安等部門提供數(shù)據(jù)支撐。

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收稿日期：20240704；修訂日期：20240720；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項目：山東省煙臺市招遠(yuǎn)市自然資源和規(guī)劃局礦山井下測繪項目（SDGP370685202102000068）

作者簡介：孫萌鑫（1990—），男，山東棲霞人，工程師，主要研究方向為攝影測量與遙感、礦山測量等；E-mail：1078570048@qq.com

*通訊作者：姜兆君（1976—），男，山東煙臺人，主要從事測繪工程等工作；E-mail：lhtcyjy@126.com