三维扫描技术在井下测量中的应用探讨

龚建萍

（江西省德兴市自然资源局，江西 德兴 334200）

1 引言

我国幅员辽阔地大物博，经过亿万年的沧海桑田、地质变迁，造就了我国广袤的土地下埋藏着丰富的矿产资源，这些矿产皆是无价的宝藏。但是想要利用这些宝藏就要先开采出来，这就涉及到如何做到准确地测量。如何合理利用有限的矿产资源和保障安全生产，就需要我们测量工作者对矿山测量技术以及矿山测量组织与施工方进行大量的研究与实践，充分利用先进技术。

井下测量技术是矿山开采极其重要的技术，是一项重要而严谨的技术性工作。不论开采规模和开采时间都需要进行井下测量以保证数据的准确及安全生产，并使开采达到可持续发展的要求。

2 井下测量的特点

（1）测量对象如工作面位置、采场边界在空间上不断变化，地质断层面的出露及钻孔，取样点的存在与时间相关，要求测量人员经常地、有时是重复地进行观测；

（2）巷道空间狭小，车辆人员来往频繁，观测条件差，要求测量人员的操作熟练；

（3）井下与地面不同，很难根据其他物体判定巷道的方位，不同水平的测点往往不通视，无法凭直观确定其相对位置，要求测量人员工作细心认真，测量结果有可靠的检核条件。

3 传统的井下测量

传统的井下测量采用经纬仪和水准仪结合钢尺量距进行数据采集［1-2］。全站仪通过测量高程输入测站高程，量取仪器高和镜站高，直接显示测量未知点的高程。全站仪通过三角高程测量来获取高度对于指导一般的工程施工可达到快且准的效果，并且可与水准仪相互检核［3］。

表1 经纬仪导线水平角的观测限差

表2 观测垂直角的精度要求（每千米水准测量）

表3 水准测量的精度要求

以上表格可以看出传统井下测量的工作量大，所花费人力物力的也大。而且井下测量不可避免的还会出现诸多问题：比如选择测量点时出现的偏差：测量点需要在淋水少并且相对比较稳固的地方构建顶板导线点，预防导线点发生脱落，在确定复测水平角准确无误才能进行测量。依然还会出现观测数据不正确或出现遗漏，复测不到位等等问题。那就需要更多更频繁的反复测量反复核算。

4 三维扫描技术的诞生

进入20世纪以来国外推出了一系列三维建模软件，如美国的Minesight；加拿大的GroCom；澳大利亚的Micromine 等，这些软件及平台的使用便捷性及数据的有效性使得在我国得到广泛的推广。但是因为一些管理理念，技术规范以及价格、售后等方面的问题在我国的推广具有很大的局限性，而且完全依赖国外并不是可持续发展的道路。但是国外的软件并不是没有一点可取之处，这些平台提供了为我国提供了一些宝贵的计算方法［4-6］，使我国三维软件得到了更快更好的发展。

5 我国三维扫描技术应用

为探明江西某煤矿井下采空区的空间状况，相关测量技术人员运用三维激光扫描技术进行井下测量，取得了显著成果。用普通的测量方法获得其空间位置、体积等数据，存在不准确性、测量危险性大等缺点。而三维扫描技术可以简单、快速的对采空区进行全方位、多角度的扫描，准确获取三维形态、体积大小、横纵断面面积等信息［7-8］，从而更好地完成项目任务，并达到排查安全隐患和预防安全事故的目的［9］。

5.1 SLAM三维激光扫描系统原理

SLAM算法解算出的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的三维数据中时间轴上共同特征点加上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。

5.2 SLAM三维激光扫描系统优势

三维激光扫描主要是以非接触式的测量形式来实施数据采集，可用于各种环境，对扫描项目三维坐标进行及时获取，对以往测量技术无法实现的不足进行了有效弥补。在运用这一技术时不需要反射镜就能够在不接触表面的情况下获取数据，这样能够在很大程度上避免一些危险因素的产生，同时最终采集出的数据也具备安全性、可靠性。并且采集速度也是相当快速，在获取面积、体积数据信息时更显突出作用。

5.3 项目实践

测量江西某煤矿413段巷道位置信息及三维形态等数据。点云经建模处理后形成巷道三维模型，并获取巷道的长度、断面面积，体积信息等。

测量人员带着三维扫描设备向前移动采集采空区数据，之后将本不在一个坐标系内的点云数据统一于同一坐标系内。以转换成大地坐标的第一站数据为基准，然后将每组点云数据进行叠加拼接形成整体巷道数据。下图为巷道拼接后数据。

图1 巷道点云数据

图2 数据拼接精度误差

通过软件拼接计算可以看出配准误差0.012862m。拼接得到了巷道的表面信息，在此基础上利用曲面拟合、特征面粘贴方法将空间表面细部数据进行特征化处理，并进行三维建模。建模后可以实景再现般进行长度、面积、体积等数据的实体量算。

表4 维激光扫描与传统测量方式验收对比

实践表明，三维激光扫描完全可以胜任矿区井下测量工作，不仅可以避免人员进入危险区域，既保证了工作效率和精度，又确保了安全生产工作的顺利进行。

6 数字化矿山

我国对于矿业的安全生产要求和采空区治理要求越来越严格，传统的井下测量已经不能满足快速发展下社会主义建设的要求。利用三维激光扫描技术可建设各个地区的井下数据库和数字化矿山模型。通过数据库和模型不仅可以获取矿区真实的三维信息，为采矿技术和安全生产提供资料；还可以极大提高生产效率，降低生产事故的发生率。将大规模的数字化矿山模型整合到国家数据库中，各个科研机构可以进行基础研究工作。促进我国矿业安全生产技术的快速发展。

6.1 矿山采挖测量和矿量计算

通过点云数据生成的DEM、DTM数据，可以进行矿山的采挖测量，在矿山开采前，通过获取的DEM、DTM数据实现植被占用面积和土石方量的计算，其中最方便的是实现直观的矿量计算，在矿山开采过程中，能准确的获取采空区的空间信息。

6.2 DLG的采集

通过建立矿山开采模型，能够生成高精度的等高线图，高密度、高精度的点云模型通过拼接建模生成的数字线划图，实现矿山测量基础数据的获取。

6.3 矿区沉降观测

矿山井下工程设施的沉降观测是衡量矿井安全的主要因素，是矿山测量的重中之重。通过三维激光扫描可以实现井口设施空间数据的整体、准确的获取，通过数据的多次长期的积累，能够及时准确地发现沉降变化，使危险因素早发现早预防。

7 结语

井下测量是指导井下矿业生产的重点工作，测量工作正确与否直接影响到工程质量、施工进度和人员安全。测量失误会给矿业生产带来重大损失，选用先进的测量方法才能确保安全和质量。三维激光扫描技术具有安全性、快捷性、实时获取性、精度高等优点，可以实时获取整个区域的三维模型。利用高精度的三维点云数据建立数字化模型将是以后测绘行业的发展趋势。三维激光扫描技术必将在各行各业掀起一场数字化的革命。