无人机三维激光扫描技术在地下采空区探测中的应用研究

李杰林 杨承业 胡 远 周科平 张孝平 刘锐凯，

（1.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083；2.玉溪大红山矿业有限公司，云南 戛洒 653405；3.天河道云（北京）科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在采用空场法或嗣后充填法开采的地下金属矿山，广泛分布着形态各异且空间规模不等的采空区。采空区的存在极易引发大规模透水、坍塌、冒落等灾害，致使矿山开采条件恶化，因此采空区是矿山亟需治理的危险源之一［1，2］。由于地下采空区的位置、空间形态、规模往往异常复杂，在采空区处理过程中，实现空区三维形态的精准探测［3，4］，可为制定安全、有效的采空区治理方案提供可靠依据。

近年来，采空区三维激光扫描技术已在矿山领域得到了广泛应用，通过三维激光扫描，可高效、准确地获取空区表面的点云数据，从而构建采空区的真实三维形貌。目前，国内应用广泛的采空区探测系 统 主 要 有 CMS［5，6］、VS150［7］、CAL-S［8］以 及MAPTECK［9］等。利用这些采空区探测系统，国内开展了众多的采空区探测及采空区处理技术研究，如过江等［10］提出了以三维激光探测技术为基础的空区探测新方法，并在广西铜坑矿与高峰矿开展了现场试验研究，精确测量了大厂矿区的采空区三维参数；杨福斗［11］等采用CMS采空区探测系统与Flac3D数值模拟软件相结合的方式，对南温河钨矿采空区及矿柱稳定性进行评价，验证了采空区内人工混凝土假柱的安全性；王瑞等［12］基于三维激光扫描技术，利用探测点云数据和炮孔设计数据建立了采空区三维模型及采场设计模型，并运用布尔计算方式计算出采场充填量。

这些三维激光扫描系统在采空区探测及处理领域发挥了重要作用，但其弊端和不足也逐渐显现出来，比如设备操作人员需靠近或进入采空区进行架站测量，测量过程中存在较大的危险性；即便是采用延伸杆探入方式进行测量，也存在着测量距离过远、存在测量盲区和测量精度差等问题，尤其是面对高大采空区、矿柱、存窿矿堆、冒落岩体等，采空区形态难以进行精确扫描，导致部分空区的点云数据不完整，从而影响采空区形貌探测的准确性。

随着无人机与信息技术的发展，一种无人机三维激光扫描技术（UAV-Lidar）得到了研究人员的广泛关注，通过利用无人机的机动性与灵活性，采用无人机搭载三维激光扫描仪对目标进行全方位扫描，操作人员无需进入危险区域即可完成扫描作业，这种利用无人机遥感测量与三维激光扫描相结合的手段［13-15］，可以有效解决传统三维激光扫描的点云数据缺失难题，从而获得精确的采空区形态。目前，受限于无人机井下通信、环境感知、自主飞行、自动避障等技术的限制，无人机三维激光扫描技术多用于地表地形测量［16，17］，而在地下金属矿山中的应用还处于探索阶段。

本文在介绍无人机三维激光扫描作业原理、作业流程作业优势等基础上，以云南大红山铁矿为试验矿山开展了井下采空区无人机三维激光扫描应用研究，并对无人机三维激光扫描在采空区探测应用中的挑战与难点进行了讨论。

1 井下无人机三维激光扫描技术简介

1.1 设备组成与作业原理

井下无人机三维激光扫描系统构成与工作原理如图1所示。无人机三维激光扫描设备主要由无人机平台与机载三维激光扫描仪组成（见图1（a）），二者经过系统化集成，构成了二位一体的无人机三维激光扫描系统。通过机载三维激光扫描仪的高精度惯性制导系统（图1（b））即可实时获取无人机的飞行速度、飞行姿态以及飞行轨迹等参数，同时配合基于激光测距的自主避障功能，实现井下无GPS信号环境下的智能飞行探测；激光扫描获取点云数据的具体原理可参考文献［6］，机载三维激光扫描仪每秒可获取数十万点云数据，通过Wi-Fi发射器可实时传输测量数据至接收设备，并同步到存储设备中。

1.2 井下无人机三维激光扫描作业流程

井下无人机三维激光扫描作业流程如图2所示，通过在探测作业点开展无人机三维激光扫描，并将所获取的采空区点云数据导入至配套的点云数据处理软件中。在点云数据处理软件中进行点云数据的抽稀、坐标矫正与转换、点云误差处理以及点云模型的构建。点云数据的具体处理过程可参考文献［17］，最后基于点云数据构建出采空区的实测模型。

1.3 无人机三维激光扫描作业在采空区探测中的优势

传统三维激光扫描方式获得的空区点云数据与采用无人机三维激光扫描探测后的空区点云数据对比如图3所示。

可以看出，传统三维激光扫描方式所获取的点云数据（图3（a））在局部区域存在点云缺失与点云稀疏现象，这是由于传统的架站式或延伸杆式三维激光扫描方法受限于采空区的复杂形态与探测环境，无法对采空区实施精确扫描，使得部分探测“盲区”的点云数据存在缺失或数据点不足的问题，从而影响采空区实测模型的精确度。通过采用无人机三维激光扫描探测后，其探测的点云数据（图3（b））弥补了探测“盲区”的点云数据，从而使得三维采空区实测模型更能真实地反映出采空区的实际形态。

无人机三维激光扫描技术在采空区探测中的优势主要有以下三点：①能全面、精确地扫描采空区，获取的点云数据量更充分、完整，从而提高采空区模型的准确性和可靠性；②在探测过程中，测量人员始终位于安全区域，无需靠近或进入采空区，作业安全；③探测速度快，可在短时间内完整、高效、安全地完成采空区三维激光扫描作业。

因此，无人机三维激光扫描技术在地下矿山采空区探测中将具有广阔的应用前景。

2 应用实例

云南玉溪大红山矿业有限公司大红山铁矿Ⅱ-1主矿体的采矿方法为空场法，经过多年的开采，形成了大量的采空区，同时还遗留了大量的残矿资源。为开展井下残矿与采空区安全协同治理，使用架站式、手持式三维激光扫描的方式对Ⅱ-1矿体系列采空区开展了三维激光测量作业，已探明采空区数量累计21个，其中775中段的775-1采空区测量体积最大，高达44万m3，其三维激光扫描结果如图4所示。

由于775-1采空区的东北角顶部巷道被冒落矿石封堵，人员和设备无法接近采空区开展探测作业，从而导致部分区域的点云数据缺失（图4（a）），影响采空区模型的精确性；此外，由于该采空区体积过大，且空区形态与赋存形式较为复杂，探测距离过远，无法全面获得采空区底部的探测数据，所获得的点云数据较为稀疏。

为保证775-1采空区探测结果的准确性，以该采空区为试验对象，使用大疆M600无人机平台搭载翼目神HM100便携式机载三维激光扫描仪，对775-1采空区的东北角顶部与采空区底部开展无人机三维激光扫描工作（图4（b））。根据无人机探测获取的点云数据，通过点云数据处理软件将无人机扫描数据与传统三维激光扫描数据进行结合（图4（c）），并建立了775-1采空区实测模型（图4（d））。可以看出，通过无人机三维激光扫描获取的点云数据能更全面、精确地展示775-1采空区的形态。

3 井下无人机三维激光扫描应用的技术挑战

无人机三维扫描技术在地下矿采空区探测中具有很好的推广价值与应用前景，但受限于井下无GPS信号环境以及复杂不规则的采空区形貌，在无人机飞行信息采集与定位、无人机自主避障、无人机自主航线规划、数据传输、无人机设备研发、无人机智能控制算法等关键技术方面还存在许多难点与挑战。

（1）井下无人机飞行信息采集、反馈与智能控制技术。由于井下无法接收GPS信号，仅依靠高精度惯性制导系统（IMU）对无人机的飞行姿态、飞行速度、设备状态等信息进行定位，存在一定的数据精度误差，无法满足长距离自主飞行的无人机智能控制，在面对跨度较大、深度较深的采空区时无法实现完全的自主飞行探测。而井下无人机飞行信息的精确采集与定位，是井下复杂空区环境下无人机智能飞行探测的基础。

（2）井下无人机的自主避障技术。目前，无人机在采空区飞行探测中主要是通过三维激光扫描仪的激光测距来实现自我避障功能，该方法虽然精度高、速度快，但更适用于简单规则的环境障碍，在面对井下不规则、突发障碍时难以及时躲避，容易发生无人机碰撞事故。因此，在无法实现无人机的自主飞行功能时，通常是由测量人员手动操控无人机进行三维扫描作业，由于采空区内视线差、粉尘浓度高，导致探测作业的操作难度大大增加。因此，亟需攻克井下采空区复杂环境下的无人机自主避障技术，提高设备的安全性，降低操作难度。

（3）井下无人机航线自主规划技术。本试验中利用了传统三维激光扫描方式获得的结果来对无人机自主飞行航线进行全局规划，但受限于井下采空区复杂环境，无人机在采空区内飞行过程中出现需要立即处理的任务或障碍物时，人为预设的全局路径规划难以及时控制无人机，因此亟需开展井下采空区复杂环境下的无人机全局与局部航线规划研究。

（4）井下无人机数据稳定传输技术。由于井下无GPS信号、缺乏环境先验信息，稳定快速的数据传输，是无人机设备在采空区三维扫描探测作业中安全高效运行的关键。此外，受到井下环境的信号干扰与信号传输距离的限制，为实现长距离复杂环境下的空区无人机自主探测作业，亟需开展井下无人机与其配套智能设备之间的通讯传输技术研究，实现采空区探测无人机扫描设备的通讯与数据稳定传输。

（5）采空区探测无人机环境感知、控制算法与智能控制关键技术研究。基于目前热门的无人机视觉导航系统［18-20］，针对井下采空区的复杂环境，利用空间位置解算算法、图像差分算法、特征检测算法、以及智能优化搜索算法来开展无人机井下采空区探测作业过程中的实时环境感知、智能控制研究，最终实现井下采空区无人机的完全自主飞行扫描探测。

（6）井下无人机搭载能力及续航时间。在采空区无人机三维扫描探测中，无人机不仅需要携带三维扫描仪，还需配备红外摄像、光学CCD等传感器设备，对无人机平台的外接口数量和兼容性有很高要求，同时搭载设备的增加会使无人机重量增大，对无人机的飞行能力和续航时间造成较大影响，因此，如何解决无人机的搭载能力和延长续航时间是井下无人机采空区探测系统需解决的关键技术。

4 结 论

（1）简述了无人机三维激光扫描技术原理与作业流程，将传统三维激光扫描方式与无人机三维激光扫描获得的空区点云数据进行对比，分析出无人机三维激光扫描技术在地下矿山采空区探测中的优势。

（2）以云南玉溪大红山矿业有限公司大红山铁矿为试验矿山，采用无人机三维激光扫描技术对Ⅱ-1矿体775-1采空区进行扫描，最终构建出更为精准的775-1采空区实测模型。

（3）讨论了无人机三维激光扫描技术的困难和挑战。相信随着技术的进步和发展，无人机三维激光扫描具有高效、灵活、安全等特点，在采空区探测方面具有巨大的应用前景。

致 谢感谢玉溪大红山矿业有限公司为本项目的无人机三维激光扫描技术采空区探测提供试验场地，并提供了采空区的相关基础数据。