龔建萍

（江西省德興市自然資源局，江西 德興 334200）

1 引言

我國幅員遼闊地大物博，經(jīng)過億萬年的滄海桑田、地質(zhì)變遷，造就了我國廣袤的土地下埋藏著豐富的礦產(chǎn)資源，這些礦產(chǎn)皆是無價(jià)的寶藏。但是想要利用這些寶藏就要先開采出來，這就涉及到如何做到準(zhǔn)確地測量。如何合理利用有限的礦產(chǎn)資源和保障安全生產(chǎn)，就需要我們測量工作者對礦山測量技術(shù)以及礦山測量組織與施工方進(jìn)行大量的研究與實(shí)踐，充分利用先進(jìn)技術(shù)。

井下測量技術(shù)是礦山開采極其重要的技術(shù)，是一項(xiàng)重要而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)性工作。不論開采規(guī)模和開采時間都需要進(jìn)行井下測量以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及安全生產(chǎn)，并使開采達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 井下測量的特點(diǎn)

（1）測量對象如工作面位置、采場邊界在空間上不斷變化，地質(zhì)斷層面的出露及鉆孔，取樣點(diǎn)的存在與時間相關(guān)，要求測量人員經(jīng)常地、有時是重復(fù)地進(jìn)行觀測；

（2）巷道空間狹小，車輛人員來往頻繁，觀測條件差，要求測量人員的操作熟練；

（3）井下與地面不同，很難根據(jù)其他物體判定巷道的方位，不同水平的測點(diǎn)往往不通視，無法憑直觀確定其相對位置，要求測量人員工作細(xì)心認(rèn)真，測量結(jié)果有可靠的檢核條件。

3 傳統(tǒng)的井下測量

傳統(tǒng)的井下測量采用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀結(jié)合鋼尺量距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［1-2］。全站儀通過測量高程輸入測站高程，量取儀器高和鏡站高，直接顯示測量未知點(diǎn)的高程。全站儀通過三角高程測量來獲取高度對于指導(dǎo)一般的工程施工可達(dá)到快且準(zhǔn)的效果，并且可與水準(zhǔn)儀相互檢核［3］。

表1 經(jīng)緯儀導(dǎo)線水平角的觀測限差

表2 觀測垂直角的精度要求（每千米水準(zhǔn)測量）

表3 水準(zhǔn)測量的精度要求

以上表格可以看出傳統(tǒng)井下測量的工作量大，所花費(fèi)人力物力的也大。而且井下測量不可避免的還會出現(xiàn)諸多問題：比如選擇測量點(diǎn)時出現(xiàn)的偏差：測量點(diǎn)需要在淋水少并且相對比較穩(wěn)固的地方構(gòu)建頂板導(dǎo)線點(diǎn)，預(yù)防導(dǎo)線點(diǎn)發(fā)生脫落，在確定復(fù)測水平角準(zhǔn)確無誤才能進(jìn)行測量。依然還會出現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)不正確或出現(xiàn)遺漏，復(fù)測不到位等等問題。那就需要更多更頻繁的反復(fù)測量反復(fù)核算。

4 三維掃描技術(shù)的誕生

進(jìn)入20世紀(jì)以來國外推出了一系列三維建模軟件，如美國的Minesight；加拿大的GroCom；澳大利亞的Micromine 等，這些軟件及平臺的使用便捷性及數(shù)據(jù)的有效性使得在我國得到廣泛的推廣。但是因?yàn)橐恍┕芾砝砟?，技術(shù)規(guī)范以及價(jià)格、售后等方面的問題在我國的推廣具有很大的局限性，而且完全依賴國外并不是可持續(xù)發(fā)展的道路。但是國外的軟件并不是沒有一點(diǎn)可取之處，這些平臺提供了為我國提供了一些寶貴的計(jì)算方法［4-6］，使我國三維軟件得到了更快更好的發(fā)展。

5 我國三維掃描技術(shù)應(yīng)用

為探明江西某煤礦井下采空區(qū)的空間狀況，相關(guān)測量技術(shù)人員運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行井下測量，取得了顯著成果。用普通的測量方法獲得其空間位置、體積等數(shù)據(jù)，存在不準(zhǔn)確性、測量危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)。而三維掃描技術(shù)可以簡單、快速的對采空區(qū)進(jìn)行全方位、多角度的掃描，準(zhǔn)確獲取三維形態(tài)、體積大小、橫縱斷面面積等信息［7-8］，從而更好地完成項(xiàng)目任務(wù)，并達(dá)到排查安全隱患和預(yù)防安全事故的目的［9］。

5.1 SLAM三維激光掃描系統(tǒng)原理

SLAM算法解算出的移動軌跡的精準(zhǔn)度決定了空間場景三維數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。SLAM算法根據(jù)激光測距儀所獲得的三維數(shù)據(jù)中時間軸上共同特征點(diǎn)加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時解算設(shè)備從出發(fā)點(diǎn)移動的距離，角度信息，逆向構(gòu)建連續(xù)的空間場景數(shù)據(jù)。

5.2 SLAM三維激光掃描系統(tǒng)優(yōu)勢

三維激光掃描主要是以非接觸式的測量形式來實(shí)施數(shù)據(jù)采集，可用于各種環(huán)境，對掃描項(xiàng)目三維坐標(biāo)進(jìn)行及時獲取，對以往測量技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的不足進(jìn)行了有效彌補(bǔ)。在運(yùn)用這一技術(shù)時不需要反射鏡就能夠在不接觸表面的情況下獲取數(shù)據(jù)，這樣能夠在很大程度上避免一些危險(xiǎn)因素的產(chǎn)生，同時最終采集出的數(shù)據(jù)也具備安全性、可靠性。并且采集速度也是相當(dāng)快速，在獲取面積、體積數(shù)據(jù)信息時更顯突出作用。

5.3 項(xiàng)目實(shí)踐

測量江西某煤礦413段巷道位置信息及三維形態(tài)等數(shù)據(jù)。點(diǎn)云經(jīng)建模處理后形成巷道三維模型，并獲取巷道的長度、斷面面積，體積信息等。

測量人員帶著三維掃描設(shè)備向前移動采集采空區(qū)數(shù)據(jù)，之后將本不在一個坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系內(nèi)。以轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)的第一站數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，然后將每組點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加拼接形成整體巷道數(shù)據(jù)。下圖為巷道拼接后數(shù)據(jù)。

圖1 巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 數(shù)據(jù)拼接精度誤差

通過軟件拼接計(jì)算可以看出配準(zhǔn)誤差0.012862m。拼接得到了巷道的表面信息，在此基礎(chǔ)上利用曲面擬合、特征面粘貼方法將空間表面細(xì)部數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化處理，并進(jìn)行三維建模。建模后可以實(shí)景再現(xiàn)般進(jìn)行長度、面積、體積等數(shù)據(jù)的實(shí)體量算。

表4 維激光掃描與傳統(tǒng)測量方式驗(yàn)收對比

實(shí)踐表明，三維激光掃描完全可以勝任礦區(qū)井下測量工作，不僅可以避免人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，既保證了工作效率和精度，又確保了安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。

6 數(shù)字化礦山

我國對于礦業(yè)的安全生產(chǎn)要求和采空區(qū)治理要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的井下測量已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展下社會主義建設(shè)的要求。利用三維激光掃描技術(shù)可建設(shè)各個地區(qū)的井下數(shù)據(jù)庫和數(shù)字化礦山模型。通過數(shù)據(jù)庫和模型不僅可以獲取礦區(qū)真實(shí)的三維信息，為采礦技術(shù)和安全生產(chǎn)提供資料；還可以極大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)事故的發(fā)生率。將大規(guī)模的數(shù)字化礦山模型整合到國家數(shù)據(jù)庫中，各個科研機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行基礎(chǔ)研究工作。促進(jìn)我國礦業(yè)安全生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。

6.1 礦山采挖測量和礦量計(jì)算

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM、DTM數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行礦山的采挖測量，在礦山開采前，通過獲取的DEM、DTM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)植被占用面積和土石方量的計(jì)算，其中最方便的是實(shí)現(xiàn)直觀的礦量計(jì)算，在礦山開采過程中，能準(zhǔn)確的獲取采空區(qū)的空間信息。

6.2 DLG的采集

通過建立礦山開采模型，能夠生成高精度的等高線圖，高密度、高精度的點(diǎn)云模型通過拼接建模生成的數(shù)字線劃圖，實(shí)現(xiàn)礦山測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取。

6.3 礦區(qū)沉降觀測

礦山井下工程設(shè)施的沉降觀測是衡量礦井安全的主要因素，是礦山測量的重中之重。通過三維激光掃描可以實(shí)現(xiàn)井口設(shè)施空間數(shù)據(jù)的整體、準(zhǔn)確的獲取，通過數(shù)據(jù)的多次長期的積累，能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)沉降變化，使危險(xiǎn)因素早發(fā)現(xiàn)早預(yù)防。

7 結(jié)語

井下測量是指導(dǎo)井下礦業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)工作，測量工作正確與否直接影響到工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和人員安全。測量失誤會給礦業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失，選用先進(jìn)的測量方法才能確保安全和質(zhì)量。三維激光掃描技術(shù)具有安全性、快捷性、實(shí)時獲取性、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時獲取整個區(qū)域的三維模型。利用高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立數(shù)字化模型將是以后測繪行業(yè)的發(fā)展趨勢。三維激光掃描技術(shù)必將在各行各業(yè)掀起一場數(shù)字化的革命。