劉 君

(湖南省地質測繪院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，人們對礦產(chǎn)資源的需求也越來越多。2012年我國提出的“大力推進生態(tài)文明建設”戰(zhàn)略決策很大程度的遏制了粗放型的礦產(chǎn)資源開采，但由于我國可采的礦山資源大幅減少，而礦產(chǎn)資源的產(chǎn)量減少導致礦產(chǎn)資源價格越來越高，大量企業(yè)在經(jīng)濟利益的驅使下肆意開采礦山資源，大量開采礦山資源的背后是超深越界的現(xiàn)象越來越多。礦山超深越界行為不僅破壞、浪費資源，造成嚴重的安全隱患和地質災害隱患，還損害了國家或其他礦山企業(yè)的權益。

三維激光掃描技術是測量領域中近幾年發(fā)展起來的一項高新技術，能夠快速、高精度獲取目標地物的三維坐標信息，真正實現(xiàn)了非接觸測量，對于傳統(tǒng)測量方式中環(huán)境惡劣、地勢危險難以到達的困難地區(qū)具有顯著優(yōu)勢。利用三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可以生成高精度的三維模型，利用三維模型套用開采紅線可以迅速、準確的量算超深越界的體積。為此，本文以湖南某采石場超深越界測量工作為例，對三維激光掃描技術在礦山超深越界治理中應用進行介紹。

1 項目概況

根據(jù)湖南省國土資源廳下發(fā)的《湖南省礦山超深越界監(jiān)督檢查三年專項行動方案》通知精神，進一步完善礦山監(jiān)管共同責任制度，進一步夯實地質礦產(chǎn)執(zhí)法監(jiān)察工作基礎，及時制止和嚴肅查處超深越界開采行為，建立健全規(guī)范有序、實時動態(tài)的地質礦產(chǎn)執(zhí)法監(jiān)管體系，自2016年起利用3年時間集中開展全省礦山超深越界監(jiān)督檢查。

該省某市自然資源和規(guī)劃局計劃在2017年度工作的基礎上，繼續(xù)開展非煤礦山超深越界監(jiān)督測量、打非治違專項行動。通過開展監(jiān)督測量工作，有助于切實摸清礦山開采情況特別是井下巷道情況，建立完善全市礦山企業(yè)信息檔案和監(jiān)管平臺。

本文以該市某地下采石場的測量工作為例，介紹三維激光掃描技術在礦山超深越界治理中的應用。該采石場成立于2008年04月，其采礦時間較為久遠，地下采礦面積約54畝，新的采礦許可證即將到期，本次超深越界測量可以有效監(jiān)督礦山企業(yè)是否守界開采，為管理部門提供強有力的技術支撐，確保實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)在初始、解決在萌芽”的工作目標。

2 數(shù)據(jù)獲取

該地下采石場地形環(huán)境復雜，特別是礦山巷道作業(yè)環(huán)境非常惡劣并存在危險，個別地段滴水現(xiàn)象嚴重，甚至存在落石情況，巷道平均寬度13.8 m，平均高度11.7 m。若使用常規(guī)地下礦山測量方法不能準確獲得斷面數(shù)據(jù)，從而不能提供準確的超深越界數(shù)據(jù)，而三維激光掃描測量可以獲得大量激光點云三維數(shù)據(jù)，通過相關軟件能快速準確計算出超采部分的體積，由此可以通過三維模型形象真實的展示出超采部分的位置和實地情況。但由于巷道狹窄悠長，且時常有下井礦車通過，這就對掃描設備的操作性及簡便性提出了相當高的要求，為此項目選用了徠卡BLK360三維激光掃描儀。該掃描儀以微型化、輕量化理念設計，機身小巧，采用氧化鋁外殼、無需整平，放穩(wěn)即工作，可以大量減少設站時間，同時機身僅重1 kg，輕便易攜，采取的是定點掃描方式，掃描范圍為0.6 m-60 m，掃描速度為360 000點/s，需要在合適的位置設站。該掃描儀3 min內(nèi)可完成全景掃描和拍照，另外，物體存在自遮擋現(xiàn)象，為了獲得完整的數(shù)據(jù)，需要對物體進行多站掃描。

在本次數(shù)據(jù)采集的過程中，在統(tǒng)一分辨率的情況下對地下礦井巷道進行了全方位的掃描。外業(yè)掃描工作人數(shù)為2人，掃描工作時間為6 h，最終獲取了528站掃描數(shù)據(jù)，單站掃描獲取的點云數(shù)據(jù)約為1 738 180 點，整個礦井巷道獲取的點云數(shù)據(jù)超過9億點，累計測量巷道904 m，形成了完整的地下礦山巷道三維模型。

2.1 測站設計

測站設計應充分考慮掃描區(qū)域的地形和環(huán)境因素，盡量用較少的掃描站完成整個地形的激光掃描，減少外業(yè)工作量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量。根據(jù)掃描目標的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點屬性設計各掃描站和控制標靶的位置。要求每站之間至少有3個控制標靶重合，通過控制點的強制符合，以確定兩個測站點云數(shù)據(jù)符合所需的7個自由度，使點云數(shù)據(jù)最終能夠統(tǒng)一到一個儀器坐標系統(tǒng)下。單站點云數(shù)據(jù)效果圖，如圖1所示。

圖1 單站點云數(shù)據(jù)效果圖

2.2 數(shù)據(jù)采集2.2.1 控制標靶數(shù)據(jù)采集

此次掃描沒有對控制標靶進行精細掃描，而是在掃描的過程中在巷道不同的位置設置了多個黑白標靶；在兩個不同測站上，至少應該有3個公共標靶點，且不應該位于同一條直線上；如果設置了4個標靶點，那么它們不應位于同一平面上。在設置標靶時，應注意標靶的位置應保證掃描站點間的通視或不要太集中，同時為每個標靶設置唯一的標識，這樣有利于后期處理數(shù)據(jù)時找出相同點，從而算出改正參數(shù)，將若干個站點的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系統(tǒng)下。在實際操作中需要在礦井口的控制點上貼紙質標靶，要確保標靶的靶心正對著控制點的標志中心；然后在控制點的附近架設掃描儀，掃描時連同標靶一起掃描；提取標靶靶心的坐標值，通過這樣的傳導，將地面上的控制點坐標傳遞到井下，使得井下測量的坐標和礦山開發(fā)許可證上的拐點坐標為同一坐標系，從而判定地下礦山開采是否超深越界。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)采集

在選取的測站上架設掃描儀，調(diào)整好儀器的姿態(tài)。通過集成的數(shù)碼相機拍攝掃描對象的影像。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設置的參數(shù)(行、列數(shù)和掃描的分辨率等)自動進行掃描。本次掃描的礦山巷道，既有狹長的巷道，又有寬大的采空區(qū)。為了保證掃描數(shù)據(jù)有足夠的重疊區(qū)，在進行巷道掃描時，巷道越窄掃描站之間的距離要越近；而在采空區(qū)掃描時，掃描站之間的距離要相對遠一些，這樣掃描的區(qū)域及面積會更大。過多、過大的重疊區(qū)不僅會帶來過多的數(shù)據(jù)冗余，而且會增加外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)處理的時間。為完成整個地下礦山的點云配準，要確保點云數(shù)據(jù)相互之間有合適的重合區(qū)域。

當天掃描的點云數(shù)據(jù)要及時快速配準，以便檢查掃描數(shù)據(jù)質量或是否存在漏洞，對于質量不好的掃描數(shù)據(jù)要重新掃描，在數(shù)據(jù)漏洞的地方要進行補掃。

3 數(shù)據(jù)處理

完成地下礦山巷道的點云數(shù)據(jù)采集以后，需要對點云數(shù)據(jù)進行處理才能構建三維模型。其中點云數(shù)據(jù)的處理具體步驟分為：

3.1 點云去噪

在三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)的時候，由于周圍物體和環(huán)境的影響，經(jīng)常會存在一定數(shù)量的差點和錯誤點，它們被統(tǒng)稱為噪聲。噪聲點對模型的構建會產(chǎn)生極大的影響，如果不將它們消除，最終構建的實體形狀將會與實體真實形狀差距很大，嚴重影響曲面擬合的質量和模型構建的精度。因此，需去除點云數(shù)據(jù)的噪點。由于點云數(shù)據(jù)的復雜性，除了使用軟件的自動去噪功能外，還需人工識別噪點并去除，以確保數(shù)據(jù)的可用性。其中，人工識別去噪主要是刪除三維模型中一些不必要的數(shù)據(jù)，如：地下礦山巷道中的儀器設備，堆放物料等對構建模型無影響的一些點云數(shù)據(jù)。

3.2 點云數(shù)據(jù)的拼接

由于地下礦山巷道地形復雜狹長且面積過大，掃描時不可能僅憑一站得到巷道所有數(shù)據(jù)，需根據(jù)巷道實際情況利用不同角度，在不同位置的進行多次掃描，將各測站掃描點云數(shù)據(jù)進行標靶匹配，從而拼接得到一個完整的巷道點云數(shù)據(jù)。

3.3 坐標系統(tǒng)的配準

本項目最終目的是精確快速的計算出巷道超深越界部分的體積儲量，所以必須將三維激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到礦山許可證中的拐點坐標系統(tǒng)。點云數(shù)據(jù)采集時，已經(jīng)將地面上的控制點坐標傳遞到標靶中心，因此首先需要識別出分區(qū)點云數(shù)據(jù)內(nèi)標靶靶心的坐標值，然后利用控制點坐標和標靶坐標，轉換分區(qū)點云數(shù)據(jù)和檢測點云配準精度。具體做法是：根據(jù)傳導下來的控制點坐標和三維激光掃描獲得的靶心坐標計算分區(qū)點云數(shù)據(jù)的旋轉平移參數(shù)，從而把分區(qū)點云數(shù)據(jù)轉換到大地坐標系下，參數(shù)計算時，如果靶心坐標和控制點坐標殘差過大甚至不匹配，則需重新匹配點云數(shù)據(jù)。

3.4 點云數(shù)據(jù)的簡化

為方便建模，需要對點云數(shù)據(jù)進行壓縮處理。三維激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)一般是離測站越近點云數(shù)據(jù)越密集，反之離測站越遠則點云數(shù)據(jù)越稀。因此，本項目將點云數(shù)據(jù)的密度間距按照5 cm-10 cm進行抽稀，抽稀后的點云數(shù)據(jù)不但減少了冗余，而且提高了建模的質量。

3.5 超深越界巷道體積量算

采用徠卡自帶的Cyclone點云數(shù)據(jù)處理軟件，先將地下礦山采礦許可證上的拐點坐標輸入，提取出試驗區(qū)范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)，打開Model space，將地下礦山超深越界的巷道提取出來，然后構建TIN，選擇Tools工具欄中的Measure，選擇TIN Volume進行體積量算，得出本項目超深越界巷道的體積為143.768 m3。得到礦山超深越界的巷道，如圖2所示。

圖2 礦山超深越界的巷道

4 效率、精度對比分析

本項目礦山巷道作業(yè)環(huán)境非常惡劣，個別地段滴水現(xiàn)象嚴重，甚至存在落石情況。通過套用發(fā)證拐點坐標發(fā)現(xiàn)越界部分約30 m，采用傳統(tǒng)測繪手段——全站儀測量對巷道超深越界部分進行縱橫斷面測量，以2 m為間距每個剖面采集6個點，耗時3 h共采集點180個，內(nèi)業(yè)處理時間1 h；采用三維激光掃描對巷道超深越界部分進行全面掃描，耗時3 min共采集點180萬個，內(nèi)業(yè)處理時間2 min。以上兩種作業(yè)方法所得數(shù)據(jù)精度均符合《工程測量規(guī)范》，但從效率來看，地面三維激光掃描方式在采集點的個數(shù)、耗時方面遠遠優(yōu)于使用全站儀采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)測繪方式，這不僅提高了作業(yè)效率，也節(jié)省了人力成本。另外，由于傳統(tǒng)全站儀測量的方法采集的數(shù)據(jù)點較少，對于巷道的一些表面細節(jié)特征并不能表達出來，而三維激光掃描儀測量由于采集的點數(shù)較多，對于地形起伏中的細微特征都予以保留，因此利用三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)計算得到的體積更為精確。

5 結束語

本文以某采石場超深越界測量工作為例，介紹了利用三維激光掃描儀對地下礦山巷道進行數(shù)據(jù)采集的方法。由于地下礦山巷道高低不同、錯綜復查，且超深越界部分具有隱蔽性，利用傳統(tǒng)的測量手段難以判別，而利用三維激光掃描儀測量則可以快速、全面、準確的獲得測量數(shù)據(jù)，且構建的三維模型更加直觀易懂，此外利用三維模型還可以快速準確量算出礦山超深越界部分的體積。因此，三維激光掃描技術與傳統(tǒng)測量方法相比，無論是在工作效率方面還是在數(shù)據(jù)的精確性方面，都有著較大的優(yōu)勢。