三维激光扫描技术在矿山超深越界治理中的应用*

刘 君

(湖南省地质测绘院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

近年来，随着国民经济的发展和社会的进步，人们对矿产资源的需求也越来越多。2012年我国提出的“大力推进生态文明建设”战略决策很大程度的遏制了粗放型的矿产资源开采，但由于我国可采的矿山资源大幅减少，而矿产资源的产量减少导致矿产资源价格越来越高，大量企业在经济利益的驱使下肆意开采矿山资源，大量开采矿山资源的背后是超深越界的现象越来越多。矿山超深越界行为不仅破坏、浪费资源，造成严重的安全隐患和地质灾害隐患，还损害了国家或其他矿山企业的权益。

三维激光扫描技术是测量领域中近几年发展起来的一项高新技术，能够快速、高精度获取目标地物的三维坐标信息，真正实现了非接触测量，对于传统测量方式中环境恶劣、地势危险难以到达的困难地区具有显著优势。利用三维激光扫描仪获取的数据可以生成高精度的三维模型，利用三维模型套用开采红线可以迅速、准确的量算超深越界的体积。为此，本文以湖南某采石场超深越界测量工作为例，对三维激光扫描技术在矿山超深越界治理中应用进行介绍。

1 项目概况

根据湖南省国土资源厅下发的《湖南省矿山超深越界监督检查三年专项行动方案》通知精神，进一步完善矿山监管共同责任制度，进一步夯实地质矿产执法监察工作基础，及时制止和严肃查处超深越界开采行为，建立健全规范有序、实时动态的地质矿产执法监管体系，自2016年起利用3年时间集中开展全省矿山超深越界监督检查。

该省某市自然资源和规划局计划在2017年度工作的基础上，继续开展非煤矿山超深越界监督测量、打非治违专项行动。通过开展监督测量工作，有助于切实摸清矿山开采情况特别是井下巷道情况，建立完善全市矿山企业信息档案和监管平台。

本文以该市某地下采石场的测量工作为例，介绍三维激光扫描技术在矿山超深越界治理中的应用。该采石场成立于2008年04月，其采矿时间较为久远，地下采矿面积约54亩，新的采矿许可证即将到期，本次超深越界测量可以有效监督矿山企业是否守界开采，为管理部门提供强有力的技术支撑，确保实现“发现在初始、解决在萌芽”的工作目标。

2 数据获取

该地下采石场地形环境复杂，特别是矿山巷道作业环境非常恶劣并存在危险，个别地段滴水现象严重，甚至存在落石情况，巷道平均宽度13.8 m，平均高度11.7 m。若使用常规地下矿山测量方法不能准确获得断面数据，从而不能提供准确的超深越界数据，而三维激光扫描测量可以获得大量激光点云三维数据，通过相关软件能快速准确计算出超采部分的体积，由此可以通过三维模型形象真实的展示出超采部分的位置和实地情况。但由于巷道狭窄悠长，且时常有下井矿车通过，这就对扫描设备的操作性及简便性提出了相当高的要求，为此项目选用了徕卡BLK360三维激光扫描仪。该扫描仪以微型化、轻量化理念设计，机身小巧，采用氧化铝外壳、无需整平，放稳即工作，可以大量减少设站时间，同时机身仅重1 kg，轻便易携，采取的是定点扫描方式，扫描范围为0.6 m-60 m，扫描速度为360 000点/s，需要在合适的位置设站。该扫描仪3 min内可完成全景扫描和拍照，另外，物体存在自遮挡现象，为了获得完整的数据，需要对物体进行多站扫描。

在本次数据采集的过程中，在统一分辨率的情况下对地下矿井巷道进行了全方位的扫描。外业扫描工作人数为2人，扫描工作时间为6 h，最终获取了528站扫描数据，单站扫描获取的点云数据约为1 738 180 点，整个矿井巷道获取的点云数据超过9亿点，累计测量巷道904 m，形成了完整的地下矿山巷道三维模型。

2.1 测站设计

测站设计应充分考虑扫描区域的地形和环境因素，尽量用较少的扫描站完成整个地形的激光扫描，减少外业工作量和内业数据处理工作量。根据扫描目标的位置、大小、形态和需要获取的重点属性设计各扫描站和控制标靶的位置。要求每站之间至少有3个控制标靶重合，通过控制点的强制符合，以确定两个测站点云数据符合所需的7个自由度，使点云数据最终能够统一到一个仪器坐标系统下。单站点云数据效果图，如图1所示。

图1 单站点云数据效果图

2.2 数据采集2.2.1 控制标靶数据采集

此次扫描没有对控制标靶进行精细扫描，而是在扫描的过程中在巷道不同的位置设置了多个黑白标靶；在两个不同测站上，至少应该有3个公共标靶点，且不应该位于同一条直线上；如果设置了4个标靶点，那么它们不应位于同一平面上。在设置标靶时，应注意标靶的位置应保证扫描站点间的通视或不要太集中，同时为每个标靶设置唯一的标识，这样有利于后期处理数据时找出相同点，从而算出改正参数，将若干个站点的点云数据统一到一个坐标系统下。在实际操作中需要在矿井口的控制点上贴纸质标靶，要确保标靶的靶心正对着控制点的标志中心；然后在控制点的附近架设扫描仪，扫描时连同标靶一起扫描；提取标靶靶心的坐标值，通过这样的传导，将地面上的控制点坐标传递到井下，使得井下测量的坐标和矿山开发许可证上的拐点坐标为同一坐标系，从而判定地下矿山开采是否超深越界。

2.2.2 点云数据采集

在选取的测站上架设扫描仪，调整好仪器的姿态。通过集成的数码相机拍摄扫描对象的影像。扫描仪根据软件环境中设置的参数(行、列数和扫描的分辨率等)自动进行扫描。本次扫描的矿山巷道，既有狭长的巷道，又有宽大的采空区。为了保证扫描数据有足够的重叠区，在进行巷道扫描时，巷道越窄扫描站之间的距离要越近；而在采空区扫描时，扫描站之间的距离要相对远一些，这样扫描的区域及面积会更大。过多、过大的重叠区不仅会带来过多的数据冗余，而且会增加外业扫描和内业处理的时间。为完成整个地下矿山的点云配准，要确保点云数据相互之间有合适的重合区域。

当天扫描的点云数据要及时快速配准，以便检查扫描数据质量或是否存在漏洞，对于质量不好的扫描数据要重新扫描，在数据漏洞的地方要进行补扫。

3 数据处理

完成地下矿山巷道的点云数据采集以后，需要对点云数据进行处理才能构建三维模型。其中点云数据的处理具体步骤分为：

3.1 点云去噪

在三维激光扫描仪获取点云数据的时候，由于周围物体和环境的影响，经常会存在一定数量的差点和错误点，它们被统称为噪声。噪声点对模型的构建会产生极大的影响，如果不将它们消除，最终构建的实体形状将会与实体真实形状差距很大，严重影响曲面拟合的质量和模型构建的精度。因此，需去除点云数据的噪点。由于点云数据的复杂性，除了使用软件的自动去噪功能外，还需人工识别噪点并去除，以确保数据的可用性。其中，人工识别去噪主要是删除三维模型中一些不必要的数据，如：地下矿山巷道中的仪器设备，堆放物料等对构建模型无影响的一些点云数据。

3.2 点云数据的拼接

由于地下矿山巷道地形复杂狭长且面积过大，扫描时不可能仅凭一站得到巷道所有数据，需根据巷道实际情况利用不同角度，在不同位置的进行多次扫描，将各测站扫描点云数据进行标靶匹配，从而拼接得到一个完整的巷道点云数据。

3.3 坐标系统的配准

本项目最终目的是精确快速的计算出巷道超深越界部分的体积储量，所以必须将三维激光扫描获得的点云数据统一到矿山许可证中的拐点坐标系统。点云数据采集时，已经将地面上的控制点坐标传递到标靶中心，因此首先需要识别出分区点云数据内标靶靶心的坐标值，然后利用控制点坐标和标靶坐标，转换分区点云数据和检测点云配准精度。具体做法是：根据传导下来的控制点坐标和三维激光扫描获得的靶心坐标计算分区点云数据的旋转平移参数，从而把分区点云数据转换到大地坐标系下，参数计算时，如果靶心坐标和控制点坐标残差过大甚至不匹配，则需重新匹配点云数据。

3.4 点云数据的简化

为方便建模，需要对点云数据进行压缩处理。三维激光扫描仪获得的点云数据一般是离测站越近点云数据越密集，反之离测站越远则点云数据越稀。因此，本项目将点云数据的密度间距按照5 cm-10 cm进行抽稀，抽稀后的点云数据不但减少了冗余，而且提高了建模的质量。

3.5 超深越界巷道体积量算

采用徕卡自带的Cyclone点云数据处理软件，先将地下矿山采矿许可证上的拐点坐标输入，提取出试验区范围内的点云数据，打开Model space，将地下矿山超深越界的巷道提取出来，然后构建TIN，选择Tools工具栏中的Measure，选择TIN Volume进行体积量算，得出本项目超深越界巷道的体积为143.768 m3。得到矿山超深越界的巷道，如图2所示。

图2 矿山超深越界的巷道

4 效率、精度对比分析

本项目矿山巷道作业环境非常恶劣，个别地段滴水现象严重，甚至存在落石情况。通过套用发证拐点坐标发现越界部分约30 m，采用传统测绘手段——全站仪测量对巷道超深越界部分进行纵横断面测量，以2 m为间距每个剖面采集6个点，耗时3 h共采集点180个，内业处理时间1 h；采用三维激光扫描对巷道超深越界部分进行全面扫描，耗时3 min共采集点180万个，内业处理时间2 min。以上两种作业方法所得数据精度均符合《工程测量规范》，但从效率来看，地面三维激光扫描方式在采集点的个数、耗时方面远远优于使用全站仪采集数据的传统测绘方式，这不仅提高了作业效率，也节省了人力成本。另外，由于传统全站仪测量的方法采集的数据点较少，对于巷道的一些表面细节特征并不能表达出来，而三维激光扫描仪测量由于采集的点数较多，对于地形起伏中的细微特征都予以保留，因此利用三维激光扫描仪采集的数据计算得到的体积更为精确。

5 结束语

本文以某采石场超深越界测量工作为例，介绍了利用三维激光扫描仪对地下矿山巷道进行数据采集的方法。由于地下矿山巷道高低不同、错综复查，且超深越界部分具有隐蔽性，利用传统的测量手段难以判别，而利用三维激光扫描仪测量则可以快速、全面、准确的获得测量数据，且构建的三维模型更加直观易懂，此外利用三维模型还可以快速准确量算出矿山超深越界部分的体积。因此，三维激光扫描技术与传统测量方法相比，无论是在工作效率方面还是在数据的精确性方面，都有着较大的优势。