李杰林 楊承業(yè) 胡 遠 周科平 張孝平 劉銳凱，

（1.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；2.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南 戛灑 653405；3.天河道云（北京）科技有限公司，北京 100176）

0 引言

在采用空場法或嗣后充填法開采的地下金屬礦山，廣泛分布著形態(tài)各異且空間規(guī)模不等的采空區(qū)。采空區(qū)的存在極易引發(fā)大規(guī)模透水、坍塌、冒落等災(zāi)害，致使礦山開采條件惡化，因此采空區(qū)是礦山亟需治理的危險源之一［1，2］。由于地下采空區(qū)的位置、空間形態(tài)、規(guī)模往往異常復雜，在采空區(qū)處理過程中，實現(xiàn)空區(qū)三維形態(tài)的精準探測［3，4］，可為制定安全、有效的采空區(qū)治理方案提供可靠依據(jù)。

近年來，采空區(qū)三維激光掃描技術(shù)已在礦山領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，通過三維激光掃描，可高效、準確地獲取空區(qū)表面的點云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建采空區(qū)的真實三維形貌。目前，國內(nèi)應(yīng)用廣泛的采空區(qū)探測系 統(tǒng) 主 要 有 CMS［5，6］、VS150［7］、CAL-S［8］以 及MAPTECK［9］等。利用這些采空區(qū)探測系統(tǒng)，國內(nèi)開展了眾多的采空區(qū)探測及采空區(qū)處理技術(shù)研究，如過江等［10］提出了以三維激光探測技術(shù)為基礎(chǔ)的空區(qū)探測新方法，并在廣西銅坑礦與高峰礦開展了現(xiàn)場試驗研究，精確測量了大廠礦區(qū)的采空區(qū)三維參數(shù)；楊福斗［11］等采用CMS采空區(qū)探測系統(tǒng)與Flac3D數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方式，對南溫河鎢礦采空區(qū)及礦柱穩(wěn)定性進行評價，驗證了采空區(qū)內(nèi)人工混凝土假柱的安全性；王瑞等［12］基于三維激光掃描技術(shù)，利用探測點云數(shù)據(jù)和炮孔設(shè)計數(shù)據(jù)建立了采空區(qū)三維模型及采場設(shè)計模型，并運用布爾計算方式計算出采場充填量。

這些三維激光掃描系統(tǒng)在采空區(qū)探測及處理領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但其弊端和不足也逐漸顯現(xiàn)出來，比如設(shè)備操作人員需靠近或進入采空區(qū)進行架站測量，測量過程中存在較大的危險性；即便是采用延伸桿探入方式進行測量，也存在著測量距離過遠、存在測量盲區(qū)和測量精度差等問題，尤其是面對高大采空區(qū)、礦柱、存窿礦堆、冒落巖體等，采空區(qū)形態(tài)難以進行精確掃描，導致部分空區(qū)的點云數(shù)據(jù)不完整，從而影響采空區(qū)形貌探測的準確性。

隨著無人機與信息技術(shù)的發(fā)展，一種無人機三維激光掃描技術(shù)（UAV-Lidar）得到了研究人員的廣泛關(guān)注，通過利用無人機的機動性與靈活性，采用無人機搭載三維激光掃描儀對目標進行全方位掃描，操作人員無需進入危險區(qū)域即可完成掃描作業(yè)，這種利用無人機遙感測量與三維激光掃描相結(jié)合的手段［13-15］，可以有效解決傳統(tǒng)三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)缺失難題，從而獲得精確的采空區(qū)形態(tài)。目前，受限于無人機井下通信、環(huán)境感知、自主飛行、自動避障等技術(shù)的限制，無人機三維激光掃描技術(shù)多用于地表地形測量［16，17］，而在地下金屬礦山中的應(yīng)用還處于探索階段。

本文在介紹無人機三維激光掃描作業(yè)原理、作業(yè)流程作業(yè)優(yōu)勢等基礎(chǔ)上，以云南大紅山鐵礦為試驗礦山開展了井下采空區(qū)無人機三維激光掃描應(yīng)用研究，并對無人機三維激光掃描在采空區(qū)探測應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與難點進行了討論。

1 井下無人機三維激光掃描技術(shù)簡介

1.1 設(shè)備組成與作業(yè)原理

井下無人機三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理如圖1所示。無人機三維激光掃描設(shè)備主要由無人機平臺與機載三維激光掃描儀組成（見圖1（a）），二者經(jīng)過系統(tǒng)化集成，構(gòu)成了二位一體的無人機三維激光掃描系統(tǒng)。通過機載三維激光掃描儀的高精度慣性制導系統(tǒng)（圖1（b））即可實時獲取無人機的飛行速度、飛行姿態(tài)以及飛行軌跡等參數(shù)，同時配合基于激光測距的自主避障功能，實現(xiàn)井下無GPS信號環(huán)境下的智能飛行探測；激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)的具體原理可參考文獻［6］，機載三維激光掃描儀每秒可獲取數(shù)十萬點云數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi發(fā)射器可實時傳輸測量數(shù)據(jù)至接收設(shè)備，并同步到存儲設(shè)備中。

1.2 井下無人機三維激光掃描作業(yè)流程

井下無人機三維激光掃描作業(yè)流程如圖2所示，通過在探測作業(yè)點開展無人機三維激光掃描，并將所獲取的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)導入至配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件中。在點云數(shù)據(jù)處理軟件中進行點云數(shù)據(jù)的抽稀、坐標矯正與轉(zhuǎn)換、點云誤差處理以及點云模型的構(gòu)建。點云數(shù)據(jù)的具體處理過程可參考文獻［17］，最后基于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建出采空區(qū)的實測模型。

1.3 無人機三維激光掃描作業(yè)在采空區(qū)探測中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的空區(qū)點云數(shù)據(jù)與采用無人機三維激光掃描探測后的空區(qū)點云數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

可以看出，傳統(tǒng)三維激光掃描方式所獲取的點云數(shù)據(jù)（圖3（a））在局部區(qū)域存在點云缺失與點云稀疏現(xiàn)象，這是由于傳統(tǒng)的架站式或延伸桿式三維激光掃描方法受限于采空區(qū)的復雜形態(tài)與探測環(huán)境，無法對采空區(qū)實施精確掃描，使得部分探測“盲區(qū)”的點云數(shù)據(jù)存在缺失或數(shù)據(jù)點不足的問題，從而影響采空區(qū)實測模型的精確度。通過采用無人機三維激光掃描探測后，其探測的點云數(shù)據(jù)（圖3（b））彌補了探測“盲區(qū)”的點云數(shù)據(jù)，從而使得三維采空區(qū)實測模型更能真實地反映出采空區(qū)的實際形態(tài)。

無人機三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)探測中的優(yōu)勢主要有以下三點：①能全面、精確地掃描采空區(qū)，獲取的點云數(shù)據(jù)量更充分、完整，從而提高采空區(qū)模型的準確性和可靠性；②在探測過程中，測量人員始終位于安全區(qū)域，無需靠近或進入采空區(qū)，作業(yè)安全；③探測速度快，可在短時間內(nèi)完整、高效、安全地完成采空區(qū)三維激光掃描作業(yè)。

因此，無人機三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)探測中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 應(yīng)用實例

云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦Ⅱ-1主礦體的采礦方法為空場法，經(jīng)過多年的開采，形成了大量的采空區(qū)，同時還遺留了大量的殘礦資源。為開展井下殘礦與采空區(qū)安全協(xié)同治理，使用架站式、手持式三維激光掃描的方式對Ⅱ-1礦體系列采空區(qū)開展了三維激光測量作業(yè)，已探明采空區(qū)數(shù)量累計21個，其中775中段的775-1采空區(qū)測量體積最大，高達44萬m3，其三維激光掃描結(jié)果如圖4所示。

由于775-1采空區(qū)的東北角頂部巷道被冒落礦石封堵，人員和設(shè)備無法接近采空區(qū)開展探測作業(yè)，從而導致部分區(qū)域的點云數(shù)據(jù)缺失（圖4（a）），影響采空區(qū)模型的精確性；此外，由于該采空區(qū)體積過大，且空區(qū)形態(tài)與賦存形式較為復雜，探測距離過遠，無法全面獲得采空區(qū)底部的探測數(shù)據(jù)，所獲得的點云數(shù)據(jù)較為稀疏。

為保證775-1采空區(qū)探測結(jié)果的準確性，以該采空區(qū)為試驗對象，使用大疆M600無人機平臺搭載翼目神HM100便攜式機載三維激光掃描儀，對775-1采空區(qū)的東北角頂部與采空區(qū)底部開展無人機三維激光掃描工作（圖4（b））。根據(jù)無人機探測獲取的點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)處理軟件將無人機掃描數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)三維激光掃描數(shù)據(jù)進行結(jié)合（圖4（c）），并建立了775-1采空區(qū)實測模型（圖4（d））?？梢钥闯?，通過無人機三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)能更全面、精確地展示775-1采空區(qū)的形態(tài)。

3 井下無人機三維激光掃描應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)

無人機三維掃描技術(shù)在地下礦采空區(qū)探測中具有很好的推廣價值與應(yīng)用前景，但受限于井下無GPS信號環(huán)境以及復雜不規(guī)則的采空區(qū)形貌，在無人機飛行信息采集與定位、無人機自主避障、無人機自主航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、無人機設(shè)備研發(fā)、無人機智能控制算法等關(guān)鍵技術(shù)方面還存在許多難點與挑戰(zhàn)。

（1）井下無人機飛行信息采集、反饋與智能控制技術(shù)。由于井下無法接收GPS信號，僅依靠高精度慣性制導系統(tǒng)（IMU）對無人機的飛行姿態(tài)、飛行速度、設(shè)備狀態(tài)等信息進行定位，存在一定的數(shù)據(jù)精度誤差，無法滿足長距離自主飛行的無人機智能控制，在面對跨度較大、深度較深的采空區(qū)時無法實現(xiàn)完全的自主飛行探測。而井下無人機飛行信息的精確采集與定位，是井下復雜空區(qū)環(huán)境下無人機智能飛行探測的基礎(chǔ)。

（2）井下無人機的自主避障技術(shù)。目前，無人機在采空區(qū)飛行探測中主要是通過三維激光掃描儀的激光測距來實現(xiàn)自我避障功能，該方法雖然精度高、速度快，但更適用于簡單規(guī)則的環(huán)境障礙，在面對井下不規(guī)則、突發(fā)障礙時難以及時躲避，容易發(fā)生無人機碰撞事故。因此，在無法實現(xiàn)無人機的自主飛行功能時，通常是由測量人員手動操控無人機進行三維掃描作業(yè)，由于采空區(qū)內(nèi)視線差、粉塵濃度高，導致探測作業(yè)的操作難度大大增加。因此，亟需攻克井下采空區(qū)復雜環(huán)境下的無人機自主避障技術(shù)，提高設(shè)備的安全性，降低操作難度。

（3）井下無人機航線自主規(guī)劃技術(shù)。本試驗中利用了傳統(tǒng)三維激光掃描方式獲得的結(jié)果來對無人機自主飛行航線進行全局規(guī)劃，但受限于井下采空區(qū)復雜環(huán)境，無人機在采空區(qū)內(nèi)飛行過程中出現(xiàn)需要立即處理的任務(wù)或障礙物時，人為預設(shè)的全局路徑規(guī)劃難以及時控制無人機，因此亟需開展井下采空區(qū)復雜環(huán)境下的無人機全局與局部航線規(guī)劃研究。

（4）井下無人機數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸技術(shù)。由于井下無GPS信號、缺乏環(huán)境先驗信息，穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)傳輸，是無人機設(shè)備在采空區(qū)三維掃描探測作業(yè)中安全高效運行的關(guān)鍵。此外，受到井下環(huán)境的信號干擾與信號傳輸距離的限制，為實現(xiàn)長距離復雜環(huán)境下的空區(qū)無人機自主探測作業(yè)，亟需開展井下無人機與其配套智能設(shè)備之間的通訊傳輸技術(shù)研究，實現(xiàn)采空區(qū)探測無人機掃描設(shè)備的通訊與數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

（5）采空區(qū)探測無人機環(huán)境感知、控制算法與智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究?；谀壳盁衢T的無人機視覺導航系統(tǒng)［18-20］，針對井下采空區(qū)的復雜環(huán)境，利用空間位置解算算法、圖像差分算法、特征檢測算法、以及智能優(yōu)化搜索算法來開展無人機井下采空區(qū)探測作業(yè)過程中的實時環(huán)境感知、智能控制研究，最終實現(xiàn)井下采空區(qū)無人機的完全自主飛行掃描探測。

（6）井下無人機搭載能力及續(xù)航時間。在采空區(qū)無人機三維掃描探測中，無人機不僅需要攜帶三維掃描儀，還需配備紅外攝像、光學CCD等傳感器設(shè)備，對無人機平臺的外接口數(shù)量和兼容性有很高要求，同時搭載設(shè)備的增加會使無人機重量增大，對無人機的飛行能力和續(xù)航時間造成較大影響，因此，如何解決無人機的搭載能力和延長續(xù)航時間是井下無人機采空區(qū)探測系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié) 論

（1）簡述了無人機三維激光掃描技術(shù)原理與作業(yè)流程，將傳統(tǒng)三維激光掃描方式與無人機三維激光掃描獲得的空區(qū)點云數(shù)據(jù)進行對比，分析出無人機三維激光掃描技術(shù)在地下礦山采空區(qū)探測中的優(yōu)勢。

（2）以云南玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦為試驗礦山，采用無人機三維激光掃描技術(shù)對Ⅱ-1礦體775-1采空區(qū)進行掃描，最終構(gòu)建出更為精準的775-1采空區(qū)實測模型。

（3）討論了無人機三維激光掃描技術(shù)的困難和挑戰(zhàn)。相信隨著技術(shù)的進步和發(fā)展，無人機三維激光掃描具有高效、靈活、安全等特點，在采空區(qū)探測方面具有巨大的應(yīng)用前景。

致 謝感謝玉溪大紅山礦業(yè)有限公司為本項目的無人機三維激光掃描技術(shù)采空區(qū)探測提供試驗場地，并提供了采空區(qū)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。