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三维激光扫描技术在矿山采空区数字化中的应用

2025-02-22 75 上传者：管理员

摘要：三维激光扫描技术是继GPS技术之后在测绘领域里面的又一次技术革命。文章旨在研究三维激光扫描技术在矿山采空区数字化中技术应用的优势，三维激光扫描系统的分类及其技术路线，结合实例介绍了使用GeoSLAM开发的GeoSLAM HUB移动激光扫描仪软件处理，获得真实的三维空间点云数据的应用，快速创建三维场景模型，为矿业公司提供了快速的三维空间数据。为实现中国式现代化和数字经济的发展助力，为中国快速实现第二个百年奋斗目标发挥更大的作用。

关键词：
三维激光
三维激光扫描技术
新型测量技术
点云数据
采空区
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1、引言

三维激光扫描技术是近年来测绘领域发展起来的一种新型测量技术,也称为实景复制技术[1]｡它可以通过扫描物体表面,提供对被测物体表面高精度3D点云数据的大规模高分辨率数据采集,并可以快速建立高精度(精度达到毫米级)､高分辨率的物体真实3D模型和数字地形模型,这是利用全球定位系统技术进行测绘的又一次技术革命[2]｡这项技术直观地反映了现实世界的真实本质,可用于文物古迹保护､建筑､规划､土木工程､工厂改造､室内设计､建筑监控､交通事故分析､法律证据收集､灾害评估､船舶设计､数字城市､军事和体积测量等领域[3]｡

2、三维激光扫描技术应用优势

2.1采空区测量

三维激光扫描技术通过对采空区进行激光扫描,可以生成精确的三维模型,可以快速､准确地获取采空区的形状､尺寸和体积等信息,为后续的数字化建模和分析提供数据支持｡

2.2安全评估

通过比较不同时间点的扫描数据,可以监测采空区的变形和变化情况,及时发现并解决可能存在的安全隐患,及时对矿山采空区进行安全评估｡

2.3数字化建模

将采集到的点云数据转换成三维模型,并与其他相关数据(如地质勘探数据､工程测量数据)结合,构建出真实可视､高精度的矿山采空区数字化模型｡

2.4可视化展示

通过将三维激光扫描数据与地理信息系统(GIS)相结合,可以实现对矿山采空区的可视化展示｡通过交互式地图界面,用户可以直观地了解采空区的分布､形状和周边环境等信息｡

2.5管理决策支持

基于三维激光扫描数据和数字模型,可以进行更精确的矿山资源管理和决策支持｡通过对采空区进行量化分析和优化设计,可以提高资源利用效率,降低开采成本｡

总之,三维激光扫描技术在矿山采空区数字化中能够提供准确､全面的数据支持,帮助实现对采空区的测量､评估､建模和管理决策等工作的数字化处理｡

3、三维激光扫描技术原理

利用激光到达原理,通过记录被测物体表面的大量密集点,如三维坐标､反射率和纹理信息,快速重建被测物体的三维模型和线､面､体等各种图件数据[4]｡它突破了传统的单点测量方法,从单点测量演变为从面积测量到体积测量的革命性技术突破,大大提高了工作效率和精度｡

4、三维激光扫描系统分类

三维激光扫描系统分为非接触型和接触型｡非接触型由于其速度快､精度高,是目前应用最广泛的三维激光扫描系统,因此在逆向工程中应用最广泛｡触摸型的连续扫描测量方法由于其相对较高的精度而被部分应用,但其速度和价格指标略低于非接触式方法｡3D激光扫描技术离不开3D激光扫描系统的点云数据,这些数据构成了后处理结果的基础｡因此,根据系统运行的空间位置,将其进一步分为地面激光扫描系统､机载激光扫描系统和移动激光扫描系统(手持式､可穿戴式)｡根据测量原理,分为脉冲测量､相位测量和激光三角测量[5]｡

5、三维激光扫描技术路线

目前,在大多数情况下,使用非接触式测量方法来确保操作安全,最大距离可达6000m｡它具有高精度､高密度的点云表达模型,数据的全三维可视化,数据数字化兼容性好,便于后期处理和输出｡

6、应用实例

6.1矿区概况

内蒙古自治区一金属矿位于某旗阿里哈萨市,矿区面积0.24km2｡从2006年开始试生产到2014年停产,由于缺乏管理和技术服务不足,地下矿石开采的现状尚不明朗｡因此,必须对地下采矿情况进行全面､快速地测量,包括巷道､竖井､停车场､采空区等｡测量获得的矿山地下空间的测量数据,为采矿的几个方面(采矿优化､剩余矿石回收､安全管理､体积吸收､空隙率､充填设计等)提供了基础性技术数据｡

6.2三维激光扫描技术对采空区数据采集

本项目的主要任务是绘制地下巷道分布图和矿体开采状况图,以便进行现场测绘｡该设计方法采用便携式移动三维激光扫描技术SLAM,解决了移动过程中扫描仪的空间位置､扫描仪的运动路径和待测空间环境之间的同步位置问题,使地下快速移动成为可能｡这项技术的三个主要优点是:

①无须GPS､GNSS等硬件模块,使基于激光雷达技术的扫描仪体积小､重量轻､便于手动携带,大大降低了移动激光扫描仪的成本｡

②移动扫描技术避免了激光通视引起的点云散射､空间遮挡等传统测量的缺点,有效提高了复杂空间测量的效率和碎片轮廓的准确性｡

③消除了架设､定中心､调平等烦琐的工作步骤,显著提高了现场扫描的效率,缩短了正常运行时间,降低了安全风险｡

一台SLAM激光扫描仪用于实施该项目,一名技术人员携带一台手持式3D激光扫描仪,一名安全员为现场安全管理提供支持｡对8条地下巷道和矿石开采进行了3D激光扫描,共布设了74个控制点｡根据巷道上已经使用的控制点的结果,使用控制点下的固定仪器大约每100m测量一次位置点,持续时间约30s;在移动扫描过程中,使用运动路径数据和特征点匹配技术来确保测量精度｡平面的均方误差和点云数据的高度精度可以在5cm以内｡

6.3资料处理与成果输出

SLAM技术最初由R.C.Smith和P.Cheeseman开发,于1986年提出用于估计空间不确定性,主要通过在运动过程中反复观察空间特征(如墙､柱等)来解决在未知环境中从未知位置开始的问题,定位自己的位置和状态｡然后根据自己的位置逐步构建地图,以达到同时定位和绘制地图的目的[6]｡

如图1所示,移动SLAM扫描技术的主要处理步骤包括四个步骤:

图1slam技术处理示意图

①探测器扫描三维空间并接收点云数据;

②探头移动后,重新测试之前的三维空间,得到偏移后的点云数据;

③系统反向计算探测器的轨迹,并基于轨迹信息恢复移动的三维空间;

④通过逆向计算和匹配空间信息,获得真实三维空间中的三维点云数据｡

上述数据处理由计算机自动完成,无须人工干预｡

在本项目中,在接收到来自矿区的原始3D激光扫描数据后,这些数据将被导出到计算机中,并使用GeoSLAM开发的GeoSLAMHUB移动激光扫描仪软件进行处理｡输入74控制点信息后,软件可以自动求解移动三维扫描数据,获得真实的三维空间点云数据(见图2)｡对解析的点云数据进行噪声抑制和滤波,以生成最终的点云结果｡该软件可用于输出数据｡读取格式数据｡同时根据需要还可输出.laz/.ply/.e57/.txt等多种格式数据｡

图2矿井巷道和采空区点云成果

6.4效果

在当地矿山地下巷道和工作面的测量仍然大多停留在二维观测水平上进行,如传统的经纬仪和全站仪｡首先,这些传统方法需要大量的时间和人力来现场收集数据,导致效率低,安全风险高;其次,获得的二维数据很难实现可视化现场情况并控制生产应用｡然而移动3D激光扫描仪可以用单个手持设备在相对较短的时间内在现场捕获数据;在一个完整的软件系统的帮助下,可以快速创建三维场景模型,为生产决策及时准确提供可靠的第一手资料｡

在短短二天的实地矿山地下数据采集工作中,完成了8个标高､9km长度的巷道和采空区的测量,形成了高精度的三维激光点云模型,为矿业公司提供了快速的三维空间数据,用于矿山重建､生产规划等工作｡

7、结语

由于3D激光扫描技术与现实3D世界的兼容性很高,符合大数据时代和数字经济的技术发展趋势,它包括站点设置､点云拼接､3D建模和可视化等内容｡目前,它已成为测绘领域的一个新热点｡3D激光扫描系统的应用研究也处于起步和加速发展阶段,在中国土木工程､古代建筑和修复､地下空间测量､复杂管网测绘和逼真的3D建筑中已经得到了很好的应用｡随着研究的深入和与其他测量技术的融合,3D激光扫描技术必将在国民经济生活的各个领域迅速发展,在实现中国式现代化和数字经济发展的道路上发挥更大的作用｡

参考文献:

[1]王红霞.三维激光扫描技术在桥梁监测中的应用[D].甘肃:兰州理工大学,2012.

[2]谈春艳.三维激光扫描数据可视化技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[3]白立飞,潘宝玉,张兰.三维激光扫描技术在数字矿山领域的应用[J].山东国土资源,2013,29(8):43-46.

[4]王峰,宋小虎.基于莱卡C10三维激光扫描仪的场景扫描及点云数据处理[J].城市建设理论研究(电子版),2013(33):1-5.

[5]朱世成.三维激光扫描技术在建筑物中的应用[J].中国室内装饰装修天地,2019(23):108.

[6]张君,胡哲骏,刘晓杨.三维激光扫描设备在矿山井巷工程快速测绘中的应用[J].采矿技术,2020,20(6):229-232.

文章来源:葛德志,杨振邦.三维激光扫描技术在矿山采空区数字化中的应用[J].智能建筑与智慧城市,2025,(02):42-44.