基于SLAM技术移动式三维激光扫描仪在矿山井下测量中的应用

0 引言

随着矿业信息化的发展，数字化矿山正向信息集成、装备智能、决策科学、综合应用的方向发展，数字化矿山建设已经成为矿山行业转型升级的必经之路。其中，矿山测量包括地面和井下，尤其对于矿山井下测量，为查清矿山开采现状，特别是狭长封闭且内部环境复杂的井下巷道掘进情况，准确指导矿山企业自觉安全生产、守界开采，是贯穿整个数字化矿山建设的重要环节。经纬仪、全站仪结合RTK技术等传统测绘技术手段所采集数据成果无法准确完整呈现矿山的开采现状，满足不了数字化矿山安全生产与建设的要求，而三维激光扫描技术突破了传统单点精确测量的局限，具有连续、快速、非接触、自动、全天候工作等优势，可以大面积地采集矿山内部的三维点云数据。因此基于三维激光扫描仪获取高精度高分辨率的数学模型，为矿山安全生产、安全性评价的可靠性以及实现数字化矿山建设提供丰富多样的基础资料。

1 SLAM基本原理

SLAM三维激光扫描系统，意为“同步定位与地图构建”。它不依赖卫星信号，在封闭有限空间内可以进行实时移动式的测量，快速进行矿山采空区的数据采集。它由激光扫描仪、惯性测量单元与SLAM算法三个主要要素组成，其核心技术为SLAM算法。

该算法主要是决定了解算出的高动态移动轨迹的精准度，移动轨迹的精准度决定了空间场景三维数据的精准度。SLAM算法根据激光测距仪所获得三维数据中时间轴上共同的特征点加上IMU获取的姿态数据，进行实时解算设备从出发点移动的距离、角度信息、逆向构建连续的空间场景数据。如图1所示。

图1 SLAM技术路线图

2 三维激光扫描仪在矿山井下测量中应用优势

矿山井下开采巷道结构错综复杂，内部四通八达，没有通信讯号，没有天然光源，地面潮湿，而且矿山往往正处在生产状态，列车往来运输矿石。受空间狭长、通视条件差，无卫星信号，不易设站等复杂因素影响，传统矿山井下测量手段对新开挖的巷道的空间位置、形态、变形观测等三维立体数据未能予以正确及时获取。为满足矿山安全生产要求，发挥数字化矿山实时管控开挖管理作用，需要对其内部进行测量，获取井下矿山开采现状的精确三维信息。但利用传统常规的测绘仪器无法进行现场测绘或者效率低下，需重复设站和转站，测量精确度也难于满足新的要求。

三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，为快速重建整个构筑物的全部空间几何特征，以点云的形式获取物体或地形表面的三维空间尺寸信息和反射率信息，并可以逼真地保留被扫描对象的纹理。目前，三维激光扫描仪有很多种选择，大多为进口设备。其中，GeoSLAM ZEB-HORIZON移动式三维激光扫描仪作业方式灵活，仅用一人就可以实现室内外一体化扫描作业，作业时间短，无需换站，连续采集，具有连贯性。有效解决了传统作业方式仪器设备组装困难，不方便操作、时间长、工作效率低等难题。

同传统数据采集方法相比，三维激光扫描技术具有自己独特的优势：①数据采集速度快，外业时间短；②数据量大，精确度高；③主动性强，不依赖光照；④处理自动化，信息传输快；⑤表达容易，点云数据不仅包含空间坐标信息，同时还包含点位的属性信息。由此可见，三维激光扫描技术对于在进行狭长型结构的矿山井下测量工作要比传统测量方法具有更大的优势。

3 GeoSLAM ZEB-HORIZON移动式三维激光扫描仪矿山井下测量应用实践

某项目需要进行湖南某金矿山井下+180水平测量，巷道长度约500米，需要掌握新开采巷道的开采现状。根据测区实际情况，在扫描前，进行现场踏勘，规划行走路径，分区形成闭合环，保证有一定的扫描重叠度，对巷道进行扫描，获得高质量点云数据。结合地表布设的4个绝对坐标控制点，并以此为基础，开展移动式三维激光扫描仪在矿山井下测量的应用研究，包括内业三维点云数据拼接融合、切面处理和平面图绘制等。矿山井下测量一体化流程如图2所示。

图2 矿山井下测量一体化流程图

3.1 外业数据采集

本次投入外业人员1名，设备一套。外业操作简单，一键开机30秒完成初始化后，背上放有电池和数据记录器的背包，平稳拿起扫描头，按规划的线路匀速行进，就可以在走动中完成扫描，其扫描测程100米，点云相对精度优于±3cm，飞萤相机实时记录扫描过程中所拍摄到的影像信息，通过后处理可以使点云带有彩色纹理信息或者作为辅助识别井下构筑物及生产设备位置与现状的依据。如图3所示。

图3 扫描行进断面图

3.2 点云拼接融合

GeoSLAMZEB-HORIZON设备扫描完成后，数据通过U盘自动下载，进行数据检查和参数设置，将数据导入到GeoSLAM Hub软件进行自动解算，自动化程度高，无需人工干预。对多段已转换坐标的分段扫描数据，需进行拼接融合，融合后需进行噪点剔除及数据简化处理，增加点云的可视化效果，如图4所示。

图4 巷道点云数据拼接图

3.3 数据坐标转换

GeoSLAM ZEB-HORIZON设备采集的点云数据坐标是相对的，需要转换成绝对坐标，需在各分段扫描的巷道两端布设控制点，扫描时将基准版放置在控制点上静止5秒，系统便可自动记录该控制点的参考点位。为避免转换误差累积，数据转换计算采用仿射变换方式。最后通过GeoSLAM HUB软件进行校正坐标即可，软件自动生成转换后的相对精度报告。

3.4 依据点云成图

完成数据拼接和坐标转换后，需对点云数据质量进行检查，将符合精度要求的点云导入到GeoSLAM Draw软件进行点云编辑制图。当同步影像与点云相匹配之后，可以查看点云数据的整体3D效果，也可以以2D效果图显示，点云数据还能够以RGB真彩色来显示，与最终成果图对比起来会显得更加的直观有效，可以清楚查看巷道开挖的现状情况。也可以将点云模型插入到CAD软件中，根据点云输出正摄影像文件，提取坐标，平剖面切割，绘制线划图DLG等，如图5、图6所示。

图5 巷道实体模型图

图6 点云数据与常规测量套合图

3.5 精度评定

为了验证GeoSLAMZEB-HORIZON移动式三维激光扫描仪的精度，对正在开采的某小段巷道已知采矿石量进行体积测算，验证哪种测量手段更加接近真实值。通过分类提取巷道的特征点数据集，如巷道顶上布设的控制点等，并采用传统的全站仪等常规测量手段对其精度进行可靠性验证，对扫描精度进行了评定，并对其误差进行分析。为了保证真实值的准确性，在现场对采空区矿石的体重进行了重新测算，获取该巷道矿石体重为：2.66吨/立方米。

通过使用GeoSLAM扫描仪和全站仪结合RTK两种手段对采空区进行测量，数据情况如表1。

表1 测量数据

使用三维激光扫描仪测量的结果，与真实值只相差了6.3吨，而且扫描时间更短，获取点数更多，如果测量更大的采空区，精度会更高。结果证明移动式三维激光扫描技术完全能够满足矿山井下测量的精度要求，为三维激光扫描技术在矿山的推广应用提供了借鉴。

4 结语

综上所述，相对于全站仪结合RTK等传统测量技术，本文分析了基于SLAM技术移动式三维激光扫描仪在矿山井下测量原理和方法。对于结构复杂不规则矿山井下开采巷道测量方面，结构设计轻巧的GeoSLAMZEBHORIZON移动式三维激光扫描仪更具有无可比拟的优势，节省成本，提高效率，精度更高，增创收益。进一步完善矿山实时动态的开采监管体系，努力实现矿山科学管理以及数字化矿山的建设。同时，GeoSLAM ZEB-HORIZON三维激光扫描仪还可支持多种平台搭载使用，以满足其它更复杂的测绘环境需求，真正做到物尽其用。