地下矿山武汉三维激光扫描测量

1.应用背景

       激光扫描仪技术在矿山测量中已应用多年，传统激光扫描仪采集数据时都需要将设备固定不动（如架设在三脚架上），以扫描周边三维空间。如测量范围较大或边界条件变化复杂时，则需要多次搬运、架站、整平设备后实施扫描；在面对边界狭长且转弯较多的场景（如地下矿山巷道）和不易架设并固定设备的溜井、天井等区域有较大的局限。频繁架站进行武汉三维激光扫描测量会显著提升井下作业时间与劳动强度，从而降低外业作业效率，增大安全隐患。

       面对国内大力推广数字矿山的趋势，采集地下真实三维空间数据成为众多矿山面临的基础任务，继续使用传统三维测量技术，无法快速高效的建立矿山真实三维模型。针对数字矿山建设需求与传统测量技术的冲突，需要引入更先进高效的地下三维空间信息采集技术，而移动式三维激光扫描技术正是解决目前困境的重要手段之一。

2.移动激光扫描仪技术简介

       由于传统激光扫描技术的局限性，矿山迫切需要可移动的三维激光扫描仪，提升设备的机动性，从而提高工作效率。针对露天矿山，设备便于安装在车辆与飞行器等各种载具上，并利用GPS，北斗卫星导航技术、GNSS惯导技术等进行实时定位，动态获取测量设备定位信息以达到移动测量的效果。此类技术在“数字地球”，“智慧城市”等露天建设项目中已得到广泛应用。

       长期以来困扰移动三维激光扫描技术在地下矿山应用的主要原因是在井下无法使用诸如GPS ，北斗导航的动态定位技术，无法实时获取测量设备在井下的空间位置信息，进而不能达到移动三维扫描的目的。这种困境直到一种新的空间定位算法SLAM (Simultaneous  Localization and Mapping，同步定位与建图) 技术的出现，才逐步得到改善。

        SLAM技术最初由R.C. Smith和P. Cheeseman在1986年针对空间不确定性的估测研究而提出，主要解决从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测空间特征（比如，墙角，柱子等）以定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式的构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。

        如下图所示，SLAM移动扫描技术主要处理步骤有四步，分别为：

  1.    探头对三维空间进行扫描并获取点云数据；

  2.    探头移动后，复测之前的三维空间，并获取位移后的点云数据；

  3.    系统反算探头运动轨迹，并根据轨迹信息还原移动的三维空间；

  4.    通过空间信息反算匹配，获取真实三维空间的三维点云数据。

（以上数据处理，均有由计算机自动完成，无需人为干预处理）

       SLAM技术解决了移动过程中扫描仪空间位置、扫描仪运动轨迹、待测空间环境三者之间的同步定位问题，从而使井下快速移动测量成为可能，该技术的两大优点是：

  1.无需GPS和GNSS等硬件模块，使得基于SLAM技术的扫描仪体积小，重量轻，便于人工携带，大幅度降低了移动激光扫描仪的成本；

  2.移动扫描技术避免了由于激光通视原因导致的远距离测量点云离散、空间遮挡等传统测量的弊端，有效提升了复杂空间测量效率与碎部轮廓精度。

 3.  Geoslam移动三维激光扫描技术

       Geoslam 是国际上最早推出基于SLAM技术的三维激光扫描仪的厂家，其SLAM算法源自澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO），与其它基于SLAM技术的激光扫描仪类似，其设备采用单线或多线激光探头。然而，与其它SLAM激光扫描仪技术最大的不同是其拥有专利的旋转探头扫描技术，通过旋转扫描仪探头，避免了探头固有的30°测量场角的弊端，使得测量范围提升为360°，从而实现了无死角扫描。此技术创新有效地解决了地下矿井巷道狭窄，转弯多的测量弊端，解决了联络巷、天井等局部与碎部测量的需求，是目前市场上较好解决了上述测量问题的设备。

       Geoslam 公司提供两种测距的扫描仪：基于单线激光探头测距为30米的ZEB-REVO扫描仪（实时数据处理RT版）和基于多线激光探头测距为100米的ZEB-Horizon扫描仪。

4.Geoslam 三维扫描仪主要指标参数

5.GeoSLAM 扫描仪应用软件

  5.1 GeoSLAM HUB 解算软件

       上图为GeoSLAM公司为移动三维激光扫描仪配套开发的解算软件GeoSLAM HUB，用以处理扫描仪所采集的数据。该软件可自动解算移动三维扫描数据，获取真实三维空间点云数据，其数据可输出.las/.laz/.ply/.e57/.txt等多种格式。

  5.2 GeoSLAM Draw三维矢量化软件

        GeoSLAM Draw为GeoSLAM公司推出的专用三维点云处理工具，该工具主要用以完成三维点云矢量化的操作，为三维点云数据与传统二维测量数据提供了有效的衔接方案，其功能主要有自动二维线数据矢量识别、任意剖面/界面数据分割提取、长度/角度/面积/体积测量与计算、测量数据对准等。

  5.3 CloudCompare点云处理软件

       上图为CloudCompare软件工作界面，该软件可以将解算所得的原始点云数据进行抽稀、降噪、旋转、平移、渲染、导入定位坐标等后续处理。结合三维扫描专用的标靶球，可以将矿山已有坐标系导入至三维扫描点云数据中，其输出数据可以导入诸如Datamine、Surpac、Dimine等三维矿业软件中使用。

6.国内矿山典型应用场景

  6.1 井下巷道三维扫描建模

        国内矿山对井下巷道、采场的测量工作，多数还停留在传统的经纬仪、全站仪等二维水平高度上。首先，这些传统手段在外业数据采集上，需要花费大量的时间和人力，工作效率低、安全隐患大；其次，得到的二维数据很难将现场情况直观的呈现出来，指导生产应用。而移动三维激光扫描仪却可以在较短时间内，单人手持仪器即可完成现场数据的采集；依靠完备的软件系统，可快速得到现场的三维模型，给生产决策提供可靠的依据。

  6.2 矿山三维模型与二维现状拟合

       传统的矿山井下定位测量，至少需要一组固定控制点作为测量起点，并以此为基点不断往前进行引点延伸，才能完成对目标区域的控制测量。现场数据采集效率低下，更为重要的是，测量现场一般不允许有其他工序的交叉作业（比如运输车、装运设备等）。移动三维激光扫描仪可以依靠自身独特的定位算法，快速完成外业数据采集，建立三维空间模型，很少受到现场交叉作业的影响。

  6.3 矿堆盘点验方

        矿石库存盘点是所有矿山单位经常面临的难题，往往在月度、季度以及年度末尾，需要对库存的矿堆进行方量盘点核对等工作。从传统的人工皮尺测量，到后来的全站仪架站测量都因为矿堆体积过大或者形状极不规则等原因，无法快速高效的解决这一难题。移动三维激光扫描仪的出现，可以快速的完成矿堆现场点云数据的采集，通过Datamine等矿业软件的逆向建模处理，从而得到直观的矿堆模型和准确的方量数据。

  6.4 地下溜井扫描

        溜井是地下矿山为了实现矿石高效转运，节约运输成本而设计掘进的特殊井筒，其中放矿溜井在一些急倾斜的大型矿床开采活动中，应用的尤为广泛。然而对于较深的溜井井筒，国内矿山的传统手段（如现场勘查、二维测量等），已经无法有效的进行溜井现状测量，即便是近年来引进的井中摄像技术，也具有相当的局限性（如无法定位影像区域、无法确定隐患位置、无法计算井筒体积等）。地下矿山武汉三维激光扫描测量中使用的移动三维激光扫描仪能以吊装的方式完成深部井筒的扫描，并通过软件处理了解溜井的安全现状（如渗水、垮塌、片帮等）并进行准确定位，同时可以精确的掌握井筒的体积等空间信息。另外，GeoSLAM扫描仪还支持加载摄像头，可以在采集井筒三维空间数据的基础上，同步采集井筒内部影像信息，使得测量成果更加全面。