三维激光扫描技术在矿山地下采空区测量中的应用

张先慧，代祥勇

（1.贵州省地质矿产勘查开发局101 地质大队，贵州 凯里 556000；2.凯里市城市规划设计院，贵州 凯里 556000）

矿山地下采空区是由于自然因素或人工开采，在矿山内部形成的“空洞”，这些“空洞”的存在十分隐蔽，不易被发觉，并且其分布基本不具备规律性[1]。采空区一旦发生塌陷，可能会对正在矿山中工作的相关人员陷入危险的境地，正在运行的相关精密设备也可能会因此收到损坏，为矿区带来巨大的经济损失与安全隐患。故而，矿山采空区的探测，是保证矿山的开采工作与后续维护工作的重要环节，只有准确了解矿山地下采空区的分布与空间形态特征，才能够针对性地采取处理措施，消除隐患。传统的矿山地下采空区的测量技术存在着精度不足的问题，往往很难准确地测量出采空区的空间形态特征，为后续矿山地下采空区的处理造成不小的困扰。三维激光扫描技术是一种适用性十分广的高新技术，尤其在建筑工程领域获得了广泛应用[2]。三维激光扫描技术是利用高速激光扫描进行测量，具有效率高、穿透性强、实时性强的优势，通过扫描可以获得扫描对象表面各点的三维坐标，由于高速激光的密集性，获取的点云数据信息十分庞大，可以通过这些海量的数据信息，复刻出模拟真实大小的三维影像模型，这种模型具有高分辨率、高精度，可以为后续的数据分析工作、处理工作等提供有效帮助。本文针对矿山面临的主要问题进行分析，展开三维激光扫描技术，在矿山地下采空区测量中的应用方法研究。

1 矿山现状及面临的主要问题分析

各行业的发展带来了多种资源的消耗，矿产资源的需求量也在增多，我国目前不少矿区，都处于发掘中期阶段，矿区地表上有着简易公路、矿物处理场地等简易设施，矿山经过了一定时间的开采，内部已经形成了很多采空区，且部分采空区已经发生塌陷，情况十分不乐观。矿山地下采空区一旦发生大面积冒落，地表就会随之产生下陷、开裂，导致地面生态被破坏，与此同时，由于塌陷造成空区内的空气压缩，涌出时具有很强的冲击破坏力，会对周边环境也造成破坏，此时若井下有开采工作人员正在施工，其生命安全将受到严重威胁。

此外，一些采空区因存在时间较长，大概率存在积水的情况，塌陷时会导致积水涌出，同时还可能联通其他积水空洞，发生连锁反应，出现灾害事故，对矿区造成人员及财产损失。有相关报道显示，某地矿山地下采空区发生透水事故，因此死亡人数超过八十；某地矿山地下采空区发生塌陷事故，导致一人丧生，十多人失踪。矿山地下采空区塌陷引发的交通问题也不容忽视，根据相关资料显示，某国道曾因矿山地下采空区严重塌陷，不得不中断交通，时间长达两年之久[3]。综上，引用高新技术进行矿山地下采空区的测量迫在眉睫，只有精准的探测，才能为后续治理提供有效帮助，解决安全隐患。

2 基于三维激光扫描技术的矿山地下采空区测量

2.1 布设采空区控制网

三维激光扫描技术在实际操作中，是利用三维激光扫描仪来完成的，扫描仪在进行测量时，是以自身为坐标系，完成对空区内各个被测点测量的，而建立完整精确的采空区模型，需要将这些点数据各自的独立坐标系进行统一，这就要求扫描仪进行扫描前要进行一次校准，以实现坐标系的统一。具体操作是，将矿区测量坐标系统的各个控制点，通过全站仪的光电导线，布置在矿山地下采空区中，使其形成具有真实坐标的公共靶点，三维激光扫描仪在分站扫描之前，首先对这些靶点进行扫描以完成校准，实现坐标系的统一。这样扫描得到的点数据才能用于后续数据处理。

图1 是进行三维激光扫描前，一分站的导线控制点布设示意图，其中Z1～Z5 表示矿区测量坐标系统的控制点，以此对其布置情况进行简化描述。

2.2 三维激光扫描

根据矿区测量坐标系统的控制点的位置确定地面钻孔位置，钻孔完成后，将扫三维激光扫描仪的探测器通过钻孔送至采空区内部，进行探测，探测之前，需确定钻孔跟踪杆件架的方位角具体数据，并在扫描仪中提前设置好。在将探测器送至预设好的控制点过程中，探测器的传感器，将以地表的钻孔位置作为基准点，不断更新自身坐标。同时，探测器深入空区时，会根据提前设置好的方位角，保证探测器与进入钻孔时的方位一致。

为保证探测器可以到达预定位置，需要工作人员对探测器传回的信号进行分析解读，通常情况是探测器每下降1m 进行一次分析，直至探测器到达预定位置。此时扫描仪开始进行扫描工作，发射高速激光到被测点，激光接触到空区表面发生反射，反射激光由光敏二级管进行接收，得到被测点的三维坐标信息。三维激光脚点坐标可用公式（1）来表示：

式中，L 表示：探测点与被测点的距离；c 表示：光速；Δt 表示：激光从出发到返回的时间；x、y、z 表示：被测点的三维坐标；α 表示：横向扫描角度；β 表示：纵向扫描角度。根据矿山地下采空区的具体情况，对三维激光扫描仪选择合适的扫描模式与适合的步幅增量，一般默认为水平扫描。扫描得到的数据经由无线网络进行传输，储存在相应终端内，完成空区内全面扫描后，得到其内部的点云数据，进行下一步处理。

2.3 数据处理

三维激光扫描得到的点云数据量是十分庞大的，需要利用相应软件进行处理。

首先将得到的点云数据进行整合操作，通过计算建立高分辨的多边形模型，此时得到的模型还比较粗糙，需要进行下一步操作。通过编辑模块对初步得到的模型进行处理，将无用的三角面片进行剔除，填补扫描漏洞，使模型表面平滑，并具有厚度，完成模型面积与体积的计算。将经过检测的模型，利用压缩模块进行处理，优化模型中点的数量，进行三角面片压缩，最后完成对模型的纹理贴图，采空区三维模型基本构建完成。

3 仿真实验

为验证本次研究提出的方法有效，选取某矿区历史采空区真实数据作为真值，通过仿真软件进行采空区测量实验。将本文提出的方法记作方法A，将文献[1]与文献[3]提出的方法分别记作方法B 与方法C。选取均方根误差与最大残差两个指标进行评价，利用三种方法进行仿真实验。

高程测量结果与分析：

三种方法的高程测量结果和根据真值计算得出的均方根误差、残差如表1 所示。

表1 三种方法高程测量结果与误差对比

由表1 可知，方法A 的均方根误差为±0.038m，相比于方法B 与方法C，均方根误差绝对值分别低了0.021、0.043；方法A 的最大残差为0.26m，相比于方法B 与方法C，分低了0.16m、0.30m。综合均方根误差结果与最大残差结果，方法A 的高程测量精度更高。

4 结语

本文首先对矿山现状及面临的主要问题进行分析，提出了基于三维激光扫描技术的矿山地下采空区测量方法，并进行仿真实验。实验结果显示，本文提出的测量方法，在高程测量与平面测量中，相比于传统方法，均有较高的精度，为解决矿山的安全隐患提供了有效的依据。今后将对矿山地下采空区的情况进行深入研究，以期为其治理提供更好的建议。