三维激光扫描技术在矿山测量中的应用与研究

刘志强

(山西中条山集团 篦子沟矿业有限公司，山西 垣曲 043703)

目前，我国正处于飞速发展的全新时期，矿山企业及矿山测量工作也将面临新的机遇和挑战[1]。矿山测量的主要工作包括地面测量和井下测量，一直以来我们延续矿山测量的任务包括建立矿区地面控制网并绘制矿区地形图；对矿区内地面附着物进行测量，绘制矿区平面图；对井下各类工程进行施工控制和竣工测量等[2]。但是随着科学技术和绿色矿山建设要求的不断提高，矿山二维图纸已经无法满足生产需求，因此探索更加先进并且适合矿山的新测量方法是当下矿山测量人面临的共同问题[3]。

1 三维激光扫描技术概述

近几年备受关注的三维激光扫描技术突破了传统测量中单点测量的模式，该技术通过发射激光来扫描被测物，以获取被测物体表面的三维坐标，其巨大优势就在于可以大面积高分辨率快速扫描被测物体，扫描不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据进行三维建模和虚拟重现，因此该技术被称为实景复制技术[4]，作为当今时代的先进测量技术，其高精度、高效率的特点为矿井测量提供了新的思路、新的途径[5]。

2 工程概况

山西省某铜矿，位于东经111°，北纬35°，占地面积216万m2，矿区位于中高山区，山崖陡峭，地势高低不一，最高海拔标高为1 112 m，最低海拔600 m，该矿山是一座有着60多年开采历史的中型矿山，井下有几万米错综复杂的井巷工程。原始的图纸和数据均为纸质版，加上年代久远，很多图纸变形，数据丢失，2015年该企业由主产向残矿回收转移，为了更加合理地开采资源，避免重复设计施工引发安全事故，同时也为了满足国家绿色矿山要求，企业决定构建矿山井巷工程三维可视化模型。

3 井巷工程三维可视化模型构建方案

3.1 移动式三维激光扫描仪

移动式三维激光扫描仪，该仪器具有SLAM技术，主要解决从未知环境的未知地点出发，针对空间不确定性在运动过程中通过重复观测到的地图特征，定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式地构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的，该设备主要由手持探头、采集器两部分组成，有效测距30 m，测量范围270°×360°。

该设备的外业操作非常简单，根据测量任务确定测量路线，开机初始化后，由单人按照正常步行速度往返行走，即可完成测区点云数据的采集工作，扫描全过程可无任何控制点。内业需要运用专用解压软件GeoSLAM Hub对扫描点云数据进行解压，即可获得高密度的井巷工程点云数据，然后将扫描的点云数据导入数据处理软件Cloud Compare进行点云数据查看、抽稀、降噪、剪切、漂移点的处理以及手动拼接等等一系列操作，最终得到地下矿山整体空间点云数据，最后将点云数据导入Geomagic Control建模软件对点云数据进行降噪、删除体外孤点、封装、简化以及网格修复等等一些列的优化实现逆向建模，完成井下工程实体模型创建工作，移动式三维激光扫描仪获取点云如图1。

图1 手持三维激光扫描仪获取的井巷工程点云拼接图Fig.1 Mosaic map of point cloud of mine tunnel project acquired by handheld 3D laser scanner

3.2 全站式三维激光扫描仪

全站式扫描仪不仅是一台毫米级精度、测角精度1 s、自动追踪照准棱镜的高精度全站仪，同时又是一台高速激光扫描、全景扫描+内置广角相机的三维激光扫描仪；既可以进行高精度的自动化测量，也可以实现精细扫描。其巨大优势就在于可以直接定位绝对坐标并通过三维激光扫描技术快速扫描被测物体，扫描不需反射棱镜即可直接获得被测井巷工程高精度的扫描点云数据，在获取井巷工程点云数据后进行点云自动拼接，通过配套软件进行数据处理，建立矿山三维可视化模型。

全站式扫描仪采用导线测量的方式进行，即架站完毕后，通过选择测站点及后视点三维坐标，选择点云扫描，便可以快速获取该测站的井巷工程点云数据，通过全站仪功能，可以获取下一个控制点的三维坐标，以此类推获取整个井巷工程点云数据，测量过程中至少需要两个已知控制点。内业将扫描采集到的点云数据导入数据处理软件MAGNET Collage进行点云数据自动拼接、查看、抽稀、降噪、剪切等等处理，最终得到测量区域的井巷工程点云数据，最后将点云数据导入Geomagic Control建模软件进行降噪、删除体外孤点、封装、简化以及网格修复等等一些列的优化，实现逆向建模，完成井下工程实体模型创建工作。全站式扫描仪获取点云如图2。

图2 全站式扫描仪获取的井巷工程点云Fig.2 Point cloud of mine tunnel project acquired by total station scanner

4 两种测量方法优缺点

1)移动式三维激光扫描仪建模较传统的测量技术具有更好的三维适应性；测量过程简单，可由单人完成全部测量任务，在较短的时间内完成矿山井巷工程测量，极大地提高测量效率；可完整、详实地反映地下空间现状；获取的点云数据可以与三维模拟软件及开发设计软件良好衔接，为数字化开采及管理提供三维数据；配合第三方软件可用于验方测量、超、欠挖核对等；可为中深孔等采矿设计提供准确的平剖面图及采掘工程实体模型等等。缺点在于在没有控制点的情况下完全依靠相似点进行手动拼接，长距离多站式的井巷工程会出现模型偏差，即便是利用已知控制点和标靶球，也不能保证在进行点云拟合时，每次捕捉到的球心就是控制点中心，有一部分偶然误差存在其中，从而降低了测量精度。

2)全站式三维激光扫描仪优点在于其可以在短时间内获取井巷工程三维点云数据，极大地提高工作效率；运用全站仪绝对定位的巨大优势采集到绝对坐标下的井巷工程点云数据，而且后期的点云数据可以通过软件进行自动拼接；可以在进行导线测量的同时进行井巷工程点云数据获取，简化作业过程；运用其高速激光扫描、全景扫描+内置广角相机功能可以获取井巷工程实景照片，在后期处理过程中进行贴图，获取井巷工程实景模型；通过其测量机器人功能，配合PC端可由单人完成全部测量任务；获取的点云数据可以很好地与三维模拟软件及开发设计软件良好衔接，为数字化开采及管理提供三维数据；配合第三方软件可用于验方测量、超、欠挖核对等；可为中深孔等采矿设计提供准确的平剖面图及采掘工程实体模型等等。缺点在于首先其价格昂贵；其次由于井巷工程不可能完全平整，全站仪需要固定采集数据，在遇到坑凹时激光束遮挡，造成点云数据不全，想要完全完整、真实地反映地下空间现状只能通过近距离多次架站的方式来获取。

5 点云数据融合

结合两种测量设备获取井巷工程点云数据的优缺点，想要快速获取绝对坐标下高密度点云数据来构建井巷工程三维可视化模型，可以将两种测量设备采集到的点云数据进行融合，即将两者设备采集到的点云数据统一保存为同一种格式，比如Cloud Compare Stereo都识别的.las格式，在Cloud Compare Stereo点云处理软件下将移动式三维激光扫描仪采集到的点云数据进行裁切、移动等操作，对全站式三维激光扫描仪采集到的绝对坐标下点云数据相对稀少的位置进行补充，这样就可以获取井巷工程高密度点云数据，最后将点云数据导入逆向建模软件Geomagic Control即可快速构建绝对坐标下完整的井巷工程三维可视化模型。

6 结语

通过某中型铜矿井下实际运用表明移动式三维激光扫描仪较适合运用于短距离工程或者相对隐蔽、独立工程三维可视化模型的获取，如溜井、采场以及矿堆立方量计算等等；全站式三维激光扫描仪较适合运用于长距离中间无较大变化工程的三维可视化模型获取，如运输巷道、斜坡道工程等，两种测量方法均可获取满足当下高精度数字化矿山井巷工程三维可视化模型，两种测量方法数据融合效果更佳。总之，三维激光扫描技术在矿山平稳、高效、安全生产中将发挥巨大作用。