SLAM三维激光扫描技术在采空区测量中的应用探讨

林宝琪

（安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232001）

地下矿山在煤炭开采过后会形成许多形态各异且规模不等的采空区，采空区的存在会对矿井安全生产造成隐患，同时严重影响矿井后续的发展规划。随着对矿井生产要求的不断提高，传统的井下测量技术已经难以满足当前对采空区管理和隐患治理的需要[1-2]。同时定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM） 三维激光扫描技术能够对地下采空区进行精确扫描，准确获取采空区的空间位置、形态、体积以及形变等三维立体数据，所获取的数据能够作为地下采空区健康安全生产、管理规划以及提出的治理方案科学合理性的依据[3]。

1 传统的井下测量技术

传统的井下测量大多采用经纬仪测角、钢尺量边以及水准仪测高的方式来获取采空区的地理数据。传统的井下测量不仅要求测量人员要具有过硬的测量技术，而且要通过灵活变换测量方式来应对井下复杂多变的测量环境，并确保最终测量结果符合井下测量规范要求，还要细心耐心不怕麻烦，实时关注井下环境的微小变化[4]。表1、表2、表3 为传统的井下测量的技术要求，包括观测限差和精度要求等。

表1 经纬仪导线水平角观测限差 （″）

表2 垂直角观测精度要求 （每1 km水准测量）

表3 水准测量精度要求

由于井下测量不同于地面测量，井下导线是随井下巷道的掘进而逐步敷设的，因此随着采掘工作的进行，测量对象的空间位置将不断发生变化，并且井下巷道的方位难以根据其他物体判断，在不同开采水平的测点间也不相互通视，这使得传统的井下测量受限于采空区的复杂形态以及测量环境，将导致采空区测量工作量大，所得数据精度低，难以获取真实的采空区空间信息[5]。

2 SLAM三维激光扫描技术

SLAM三维激光扫描技术主要依靠SLAM算法，因此所使用的SLAM算法的好坏决定了最终解算出的SLAM三维激光扫描系统在空间中的移动轨迹的精准度，而解算出的移动轨迹的精准度又决定了所获取的空间场景三维立体数据的精准度。当进行扫描作业时，三维激光扫描仪根据测量人员预先设定的线路对扫描目标发射激光束，以进行全方位、无死角的扫描，再根据三维激光扫描仪所获取的三维立体数据在时间轴上共同的特征点以及惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU） 所获取的系统姿态数据，计算出扫描仪与扫描目标之间的距离以及目标点位于空间中的位置，最终逆向构建出连续的空间场景模型[6-7]。

3 SLAM三维激光扫描技术的优势

与传统的井下测量技术相比，SLAM三维激光扫描技术具有以下优势[8]。

1） 使用SLAM三维激光扫描技术进行测量时，无需架设反射棱镜，并且不需要对扫描目标的表面进行任何处理，就可以直接获取扫描目标的精确的三维立体数据，这种非接触式的测量方式可避免测量人员长时间停留或靠近危险区域，作业安全。

2） 相比于传统的井下测量技术，SLAM三维激光扫描技术的采样点速率高，可在1 s内采集到数千点甚至数十万点的数据。

3） SLAM三维激光扫描技术可通过三维激光扫描仪主动发射扫描激光，不受限于井下复杂的环境，通过探测自身发射的激光回波信号来计算出与扫描目标之间的距离以及扫描目标的空间数据。

4） 使用SLAM三维激光扫描技术快速获取的采空区精度高、数据量巨大且数据更加完整，经过数据处理得到的采空区三维模型精度更高、更准确，更接近于实际现场。

5） 操作简单，可仅由一人完成全部的测量工作，节省大量的人力物力。

6） 可将采集的数据导入到专用的数据处理软件中进行快速处理，无需长时间等待数据成图。

7） 传统的井下测量工作的高效进行受限于井下没有全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS） 覆盖的环境条件，而SLAM三维激光扫描技术可以解决这个难题并进行实时移动式的测量以采集采空区的数据。

4 SLAM三维激光扫描技术在采空区测量中的应用

近年来，随着采矿方法的变革以及更加高效的设备的运用，为破解传统的井下测量效率低、误差大、难以准确反映采空区真实形态的难题，越来越多的矿山企业开始寻找一种新的技术以实现井下测量方式的转变。SLAM三维激光扫描技术可高效快速获取满足数字化矿山要求的高精度三维立体模型，这一特点使得该技术被逐步引进到井下采空区的测量工作中[9]。

1） 采空区体积计算。使用矿山专用软件处理SLAM三维激光扫描技术获取的采空区数据，计算出采空区体积，并为生产验收、矿井采矿量核定、超欠挖量计算、采空区回填等提供数据支持[10]。

2） 采空区安全监测和评价。可通过对获取的多期采空区数据进行对比，进一步分析采空区的形变，快速定位出采空区中危岩体的位置与体积；获得的采空区数据可协助矿山安全、地质、生产等部门做出合理的判断，提出安全的决策，有效规避井下地质灾害的发生[11]。

3） 采矿设计与维护。依靠SLAM三维激光扫描技术获取的数据可建立起精确的采空区三维模型，并且将其应用于采矿设计、回填、监测、管理等矿山一体化工作，可有效避免使用传统的井下测量方式所得数据生成的二维图纸或模拟的采空区模型相比于真实采空区存在遗漏或描述有误的地方所带来的影响[12]。

4） 数字化矿山。传统的井下测量数据多采用图纸等实体介质进行存储，经过长时间的使用，造成图纸变形等结果，使得数据偏离实际，且不便于修改和调用；SLAM三维激光扫描技术可获取数字化数据，用于建设各地区的井下测量数据库和矿山模型，为采矿安全生产提供资料，便于各部门调用决策，减少事故的发生，也可为科研人员的研究提供数据来源[13-14]。

5 结束语

精确地测量采空区形态与分析采空区残留煤炭资源总量是发展矿井安全、高效、可持续生产的有力手段。使用单点式与抽检式的传统勘测手段进行井下测量，很容易发生关键数据信息丢失的情况；而SLAM三维激光扫描技术能够更完整、准确地获取采空区的空间位置、形态、体积以及形变等数据，为矿井的安全生产和矿山的发展规划提供保障。综上所述，SLAM三维激光扫描技术在地下矿山采空区测量中具有很好的应用价值与推广前景。