隋建政， 陳 濤， 李全明， 張 紅(中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 北京 100012)

1 前言

三維激光掃描是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)發(fā)射激光束形成大量激光點(diǎn)掃描被測(cè)物體，來(lái)獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的逆向建模。傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，使用RTK或全站儀對(duì)物體表面進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，只獲得物體特征點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件繪制和渲染建模，測(cè)量點(diǎn)稀疏、效率低，難以呈現(xiàn)復(fù)雜的礦山信息。三維激光掃描技術(shù)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，每秒可測(cè)量數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，并且采用非接觸測(cè)量，具有速度快、精度高、真實(shí)感強(qiáng)，不受表面復(fù)雜程度影響等特點(diǎn)，可快速掃描礦山表面獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并形成分辨率的礦山數(shù)字模型[1]。目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)，也為礦山未來(lái)生產(chǎn)和安全管理提供了技術(shù)支撐。

2 三維激光掃描對(duì)在礦山中的應(yīng)用前景

2.1 構(gòu)建智慧礦山

利用三維激光掃描技術(shù)獲取礦區(qū)地上建筑物和工業(yè)設(shè)施，地下巷道、硐室、工作面、采空區(qū)以及通風(fēng)排水等設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合其他三維數(shù)據(jù)，如三維地質(zhì)、水文等，借助現(xiàn)有的商業(yè)軟件，像micromine和3Dmine將各種三維數(shù)據(jù)整合處理，形成一幅完整的礦區(qū)地上、地下數(shù)字立體圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山。在數(shù)字礦山的基礎(chǔ)上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物理模擬技術(shù)、人工智能技術(shù)等可完成智慧礦山的搭建。智慧礦山可以為礦山的生產(chǎn)管理、應(yīng)急演練、應(yīng)急救援、標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)等提供全面的應(yīng)用[2]。

2.2 提升生產(chǎn)和安全管理水平

隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大，開(kāi)采技術(shù)不斷提高，需要更高效的生產(chǎn)管理輔助系統(tǒng)。三維模型不僅給領(lǐng)導(dǎo)和管理人員決策提供了直觀可視化參考，也更加便于技術(shù)人員在礦體開(kāi)采、井巷布置方案上進(jìn)行設(shè)計(jì)，也為施工人員快速理解方案設(shè)計(jì)意圖提供幫助。用平面圖紙讓每位礦山工作者理解復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案有很大的難度，利用三維技術(shù)向工作人員講解就比較容易溝通，易于理解。同時(shí)為巷道中的工作人員導(dǎo)航、人員和設(shè)備的定位提供位置數(shù)據(jù)支持，能夠幫助工作人員準(zhǔn)確到達(dá)工作地點(diǎn)，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠迅速到達(dá)就近避險(xiǎn)點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)礦山安全生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，但是礦山安全事故預(yù)警與防治技術(shù)相對(duì)而言仍處于落后狀態(tài)，與國(guó)家的要求還有差距。

例如地下采空區(qū)，由于采礦方法、開(kāi)采措施的不同，造成采空區(qū)結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，采空區(qū)可能導(dǎo)致礦震、空氣沖擊波、巖爆、地面塌陷等多種災(zāi)害形式。采空區(qū)造成的危害是制約礦山發(fā)展及正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的一大難點(diǎn)。利用激光三維掃描，可以準(zhǔn)確的獲得采空區(qū)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，確定采空區(qū)的方位及分布，頂板面積和實(shí)際邊界等結(jié)構(gòu)信息，為采空區(qū)的穩(wěn)定分析、危害辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及后期采空區(qū)的填充處理提供了可視化的數(shù)據(jù)支持。

在三維巷道模型中嵌入安全監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)際坐標(biāo)，當(dāng)某處檢測(cè)信息出現(xiàn)異常時(shí)，隱患事故點(diǎn)可以做到立體可視化安全監(jiān)測(cè)。如變形點(diǎn)、透水點(diǎn)、塌方點(diǎn)等。

在三維模型的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行透水水淹模擬，采空區(qū)塌陷、空?qǐng)雒绊敗⑽驳V庫(kù)壩體變形等模擬，為制定應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)，也能為事故救援工作提供準(zhǔn)確的空間位置數(shù)據(jù)。

露天采礦區(qū)多陡峭地形，不穩(wěn)定山體等，對(duì)于測(cè)量人員來(lái)說(shuō)安全隱患較大。坍塌主要因?yàn)槁短斓V山邊坡失穩(wěn)和破壞所致，由于露天采礦開(kāi)挖了礦巖，必然在其周圍形成邊坡。這些邊坡可能在暴雨、地下水、地震、爆破震動(dòng)、重載車輛通行時(shí)，會(huì)使其局部(或大部)失去穩(wěn)定，產(chǎn)生滾石、滑坡、坍塌等而形成危害。通過(guò)三維激光掃描可以獲得邊坡實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出邊坡型變量、滑坡方向和速度等數(shù)據(jù)，以此來(lái)掌握邊坡的變化規(guī)律，對(duì)邊坡安全監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)有著重要意義。

3 礦區(qū)三維掃描實(shí)例

3.1 采空區(qū)掃描

利用采空區(qū)掃描探頭可對(duì)地下采空區(qū)空間進(jìn)行三維測(cè)量。探頭由激光發(fā)射器和內(nèi)置攝像機(jī)組成，利用激光脈沖并輔以精密微機(jī)電陀螺等技術(shù)對(duì)地下空間進(jìn)行自動(dòng)掃描，從而獲得采空區(qū)的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。探桿有多種方式可以將伸入采空區(qū)，根據(jù)不同的情況具體操作方式不同。一般情況下，通過(guò)在采空區(qū)地表鉆孔的方式垂直鉆入采空區(qū)，探頭連接延長(zhǎng)探桿伸入采空區(qū)即可進(jìn)行掃描。若井下中段作業(yè)，由于采空區(qū)與巷道之間的連接洞口情況復(fù)雜，洞口處布滿滑落的碎石難以立足，采空區(qū)頂部隨時(shí)有掉落石塊的危險(xiǎn)，無(wú)法靠近洞口作業(yè)。可以將探桿固定到叉車上利用叉車加探桿的方式輔助完成掃描工作[3]，具體如圖1所示。掃描后的點(diǎn)云結(jié)果可以用軟件計(jì)算出采空區(qū)的體積、表面積、高度等參數(shù)，具體如圖2所示。

圖1 采空區(qū)中段利用叉車探入探桿掃描

圖2 采空區(qū)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 巷道掃描

礦井地下巷道的三維激光掃描相對(duì)于對(duì)采空區(qū)的掃描要更加容易操作。采用手持式或背包便攜式三維激光掃描儀即可對(duì)巷道內(nèi)部空間進(jìn)行720°全景掃描，快速準(zhǔn)確的獲得高質(zhì)量的三維空間掃描數(shù)據(jù)，三維實(shí)景圖如圖3所示。一般情況下，操作員只需手持或背包掃描儀在巷道中進(jìn)行掃描即可獲取巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在掃描作業(yè)前，由于地下巷道空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器設(shè)備一次性工作時(shí)間有限，為了避免走重復(fù)路線，節(jié)省掃描作業(yè)時(shí)間，在掃描作業(yè)前，需要對(duì)掃描的行進(jìn)路線和掃描進(jìn)程做合理的規(guī)劃。在掃描過(guò)程中，路過(guò)的工人和車輛，巷道里的水氣、霧氣以及粉塵都是干擾因素。在掃描行進(jìn)過(guò)程中首先要對(duì)井下的情況做好預(yù)判，如果遇到來(lái)往的工人和車輛在不可避免的情況下可以將掃描儀的掃描盲點(diǎn)背對(duì)移動(dòng)物，避免掃描到非采集對(duì)象[4]。如果井下霧氣或粉塵過(guò)重影響激光掃描儀的工作，目前在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中還沒(méi)有好的解決辦法，但在可在后期對(duì)點(diǎn)云處理的過(guò)程中進(jìn)行去噪或補(bǔ)點(diǎn)等操作來(lái)完善模型，具體如圖4所示?？傮w來(lái)說(shuō)，礦井巷道環(huán)境密閉，巷道墻壁粗糙色暗，是三維激光掃描測(cè)量的絕佳工作環(huán)境。

圖3 巷道內(nèi)部三維實(shí)景圖

圖4 巷道3D模型

3.3 露天礦坑及礦區(qū)掃描

由于露天礦坑占地面積大，環(huán)境開(kāi)闊，礦區(qū)內(nèi)建筑物高大以及工業(yè)設(shè)施多樣性，采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)很難準(zhǔn)確完成測(cè)繪。采用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)替代傳統(tǒng)測(cè)量是必由之路，通過(guò)自動(dòng)或者手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)的方式，對(duì)地物進(jìn)行飛行掃描測(cè)量可以快速獲得高精度點(diǎn)云。利用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)方式，首先要做好外業(yè)踏勘，綜合考慮地形地貌、續(xù)航時(shí)間、測(cè)區(qū)面積等因素，然后對(duì)航線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)是對(duì)地上復(fù)雜環(huán)境快速精確測(cè)量的利器，是實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦區(qū)三維建模最有效方法[5]，具體如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)掃描邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.4 后期點(diǎn)云拼接

礦區(qū)構(gòu)成成分復(fù)雜，對(duì)礦區(qū)地上地下、室內(nèi)室外等不同場(chǎng)景采用的不同測(cè)量設(shè)備，各種設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的，需要對(duì)不同場(chǎng)景的點(diǎn)云進(jìn)行拼接才能獲得一幅完整的礦區(qū)點(diǎn)云模型。通常情況下，點(diǎn)云模型的拼接有兩種方法。一種方法是在掃描過(guò)程當(dāng)中掃描出兩個(gè)銜接場(chǎng)景的公共區(qū)域，后期拼接點(diǎn)云時(shí)找到公共部分并進(jìn)行拼接；另一種方法是加入坐標(biāo)點(diǎn)，在掃描的過(guò)程中同時(shí)測(cè)量出物體的相應(yīng)坐標(biāo)，在后期處理時(shí)利用坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)場(chǎng)景的拼接。在掃描過(guò)程中，如果發(fā)生了掃描遺漏點(diǎn)或盲區(qū)點(diǎn)的情況，如無(wú)人機(jī)高空激光掃描作業(yè)中，地面高大的房屋或樹(shù)木對(duì)目標(biāo)物造成了遮擋會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)。后期發(fā)現(xiàn)這種情況后，可采用手持式掃描儀對(duì)缺失部分進(jìn)行人工補(bǔ)點(diǎn)掃描。多種設(shè)備配合工作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行搭建，也是點(diǎn)云拼接的重要技術(shù)手段。

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)能夠?yàn)榈V山生產(chǎn)和未來(lái)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。三維激光掃描以及三維建模技術(shù)已經(jīng)廣泛的用于許多行業(yè)，如智慧工廠、VR博物館、VR景點(diǎn)漫游、房地產(chǎn)營(yíng)銷等，都為行業(yè)帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。采礦類傳統(tǒng)行業(yè)也應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，吸收新的技術(shù)和理念，讓新技術(shù)助力礦山生產(chǎn)向著無(wú)人化和智能化發(fā)展。