三维激光扫描在非煤矿山生产的应用

隋建政， 陈 涛， 李全明， 张 红(中国安全生产科学研究院， 北京 100012)

1 前言

三维激光扫描是利用激光测距的原理，通过发射激光束形成大量激光点扫描被测物体，来获取被测物体表面三维坐标形成点云数据，来实现对实物的逆向建模。传统的测绘技术，使用RTK或全站仪对物体表面进行单点测量，只获得物体特征点和控制点坐标数据，利用三维建模软件绘制和渲染建模，测量点稀疏、效率低，难以呈现复杂的矿山信息。三维激光扫描技术为实景复制技术，每秒可测量数百万个点，并且采用非接触测量，具有速度快、精度高、真实感强，不受表面复杂程度影响等特点，可快速扫描矿山表面获得三维点云数据，并形成分辨率的矿山数字模型[1]。目前，三维激光扫描技术已经应用于各行各业，也为矿山未来生产和安全管理提供了技术支撑。

2 三维激光扫描对在矿山中的应用前景

2.1 构建智慧矿山

利用三维激光扫描技术获取矿区地上建筑物和工业设施，地下巷道、硐室、工作面、采空区以及通风排水等设施的点云数据，结合其他三维数据，如三维地质、水文等，借助现有的商业软件，像micromine和3Dmine将各种三维数据整合处理，形成一幅完整的矿区地上、地下数字立体图，实现数字矿山。在数字矿山的基础上结合物联网技术、虚拟现实技术、物理模拟技术、人工智能技术等可完成智慧矿山的搭建。智慧矿山可以为矿山的生产管理、应急演练、应急救援、标准化培训等提供全面的应用[2]。

2.2 提升生产和安全管理水平

随着我国矿产资源开发强度加大，开采技术不断提高，需要更高效的生产管理辅助系统。三维模型不仅给领导和管理人员决策提供了直观可视化参考，也更加便于技术人员在矿体开采、井巷布置方案上进行设计，也为施工人员快速理解方案设计意图提供帮助。用平面图纸让每位矿山工作者理解复杂的设计方案有很大的难度，利用三维技术向工作人员讲解就比较容易沟通，易于理解。同时为巷道中的工作人员导航、人员和设备的定位提供位置数据支持，能够帮助工作人员准确到达工作地点，一旦出现异常情况，能够迅速到达就近避险点。

近年来，国家对矿山安全生产的要求越来越高，但是矿山安全事故预警与防治技术相对而言仍处于落后状态，与国家的要求还有差距。

例如地下采空区，由于采矿方法、开采措施的不同，造成采空区结构形态各异，采空区可能导致矿震、空气冲击波、岩爆、地面塌陷等多种灾害形式。采空区造成的危害是制约矿山发展及正常生产经营的一大难点。利用激光三维扫描，可以准确的获得采空区的结构数据，确定采空区的方位及分布，顶板面积和实际边界等结构信息，为采空区的稳定分析、危害辨识、风险评估及后期采空区的填充处理提供了可视化的数据支持。

在三维巷道模型中嵌入安全监测传感器的实际坐标，当某处检测信息出现异常时，隐患事故点可以做到立体可视化安全监测。如变形点、透水点、塌方点等。

在三维模型的基础上，可以进行透水水淹模拟，采空区塌陷、空场冒顶、尾矿库坝体变形等模拟，为制定应急预案提供科学依据，也能为事故救援工作提供准确的空间位置数据。

露天采矿区多陡峭地形，不稳定山体等，对于测量人员来说安全隐患较大。坍塌主要因为露天矿山边坡失稳和破坏所致，由于露天采矿开挖了矿岩，必然在其周围形成边坡。这些边坡可能在暴雨、地下水、地震、爆破震动、重载车辆通行时，会使其局部(或大部)失去稳定，产生滚石、滑坡、坍塌等而形成危害。通过三维激光扫描可以获得边坡实时数据，从而计算出边坡型变量、滑坡方向和速度等数据，以此来掌握边坡的变化规律，对边坡安全监测及评价有着重要意义。

3 矿区三维扫描实例

3.1 采空区扫描

利用采空区扫描探头可对地下采空区空间进行三维测量。探头由激光发射器和内置摄像机组成，利用激光脉冲并辅以精密微机电陀螺等技术对地下空间进行自动扫描，从而获得采空区的高密度点云数据。探杆有多种方式可以将伸入采空区，根据不同的情况具体操作方式不同。一般情况下，通过在采空区地表钻孔的方式垂直钻入采空区，探头连接延长探杆伸入采空区即可进行扫描。若井下中段作业，由于采空区与巷道之间的连接洞口情况复杂，洞口处布满滑落的碎石难以立足，采空区顶部随时有掉落石块的危险，无法靠近洞口作业。可以将探杆固定到叉车上利用叉车加探杆的方式辅助完成扫描工作[3]，具体如图1所示。扫描后的点云结果可以用软件计算出采空区的体积、表面积、高度等参数，具体如图2所示。

图1 采空区中段利用叉车探入探杆扫描

图2 采空区三维点云数据

3.2 巷道扫描

矿井地下巷道的三维激光扫描相对于对采空区的扫描要更加容易操作。采用手持式或背包便携式三维激光扫描仪即可对巷道内部空间进行720°全景扫描，快速准确的获得高质量的三维空间扫描数据，三维实景图如图3所示。一般情况下，操作员只需手持或背包扫描仪在巷道中进行扫描即可获取巷道点云数据。在扫描作业前，由于地下巷道空间结构复杂，仪器设备一次性工作时间有限，为了避免走重复路线，节省扫描作业时间，在扫描作业前，需要对扫描的行进路线和扫描进程做合理的规划。在扫描过程中，路过的工人和车辆，巷道里的水气、雾气以及粉尘都是干扰因素。在扫描行进过程中首先要对井下的情况做好预判，如果遇到来往的工人和车辆在不可避免的情况下可以将扫描仪的扫描盲点背对移动物，避免扫描到非采集对象[4]。如果井下雾气或粉尘过重影响激光扫描仪的工作，目前在数据采集过程中还没有好的解决办法，但在可在后期对点云处理的过程中进行去噪或补点等操作来完善模型，具体如图4所示。总体来说，矿井巷道环境密闭，巷道墙壁粗糙色暗，是三维激光扫描测量的绝佳工作环境。

图3 巷道内部三维实景图

图4 巷道3D模型

3.3 露天矿坑及矿区扫描

由于露天矿坑占地面积大，环境开阔，矿区内建筑物高大以及工业设施多样性，采用传统的现场量测很难准确完成测绘。采用无人机搭载激光雷达替代传统测量是必由之路，通过自动或者手动控制无人机的方式，对地物进行飞行扫描测量可以快速获得高精度点云。利用无人机搭载激光雷达方式，首先要做好外业踏勘，综合考虑地形地貌、续航时间、测区面积等因素，然后对航线进行优化设计。无人机搭载激光雷达是对地上复杂环境快速精确测量的利器，是实现对露天矿区三维建模最有效方法[5]，具体如图5所示。

图5 无人机扫描边坡点云数据

3.4 后期点云拼接

矿区构成成分复杂，对矿区地上地下、室内室外等不同场景采用的不同测量设备，各种设备采集的点云数据都是独立的，需要对不同场景的点云进行拼接才能获得一幅完整的矿区点云模型。通常情况下，点云模型的拼接有两种方法。一种方法是在扫描过程当中扫描出两个衔接场景的公共区域，后期拼接点云时找到公共部分并进行拼接；另一种方法是加入坐标点，在扫描的过程中同时测量出物体的相应坐标，在后期处理时利用坐标来实现多个场景的拼接。在扫描过程中，如果发生了扫描遗漏点或盲区点的情况，如无人机高空激光扫描作业中，地面高大的房屋或树木对目标物造成了遮挡会产生盲区。后期发现这种情况后，可采用手持式扫描仪对缺失部分进行人工补点扫描。多种设备配合工作来实现对整个矿区的点云数据进行搭建，也是点云拼接的重要技术手段。

4 结论

三维激光扫描技术能够为矿山生产和未来发展提供有力的技术支撑。三维激光扫描以及三维建模技术已经广泛的用于许多行业，如智慧工厂、VR博物馆、VR景点漫游、房地产营销等，都为行业带来了很好的经济效益。采矿类传统行业也应当与时俱进，吸收新的技术和理念，让新技术助力矿山生产向着无人化和智能化发展。