劉 豐

（湖北三鑫金銅股份有限公司）

隨著礦山數(shù)字化、智能化發(fā)展的推進，國內(nèi)外許多現(xiàn)代化礦山已開始應(yīng)用三維數(shù)值分析［1-2］、全礦山三維可視化管控［3-5］、數(shù)字孿生［6-7］等技術(shù)來指導(dǎo)礦山的安全生產(chǎn)，在進行礦山的三維數(shù)字化改革的同時，礦山的基礎(chǔ)測繪將是全礦山三維顯現(xiàn)的重要數(shù)據(jù)來源［8］。

地下礦山的測繪主要包括井下的采空區(qū)、井巷工程以及重要設(shè)施工程的測繪，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，目前礦山多使用三維激光掃描儀對井下空間進行掃描建模［9-11］，但傳統(tǒng)三維激光掃描儀主要為架站式掃描，在對礦山測繪中存在諸多不足：①在井下測繪時面對復(fù)雜井巷工程需要多次布點，作業(yè)耗時過長；②掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量通常受到掃描地點、地下空間尺度及形狀的影響，所得到的點云數(shù)據(jù)空間點密度極不均勻，并存在點云密度低與掃描死角；③部分危險區(qū)域作業(yè)人員無法進行布點，數(shù)據(jù)精確度降低的同時增加了作業(yè)人員的安全隱患。綜上所述，采用傳統(tǒng)三維激光掃描測繪方式不僅難以達到全礦山三維顯現(xiàn)的精度要求，同時增加了測量人員采集數(shù)據(jù)的作業(yè)難度和風(fēng)險，阻礙礦山數(shù)字化、智能化的發(fā)展，需對礦山測繪設(shè)備進行革新，獲取更精確的礦山三維空間信息，使得礦山三維可視化分析結(jié)果更符合現(xiàn)場實際。

目前，一種無人機三維激光掃描技術(shù)已成功在井下進行采空區(qū)探測的應(yīng)用［12-13］，人員無需靠近危險區(qū)域即可對采空區(qū)進行精細(xì)測量，有必要對無人機三維激光掃描技術(shù)在礦山的應(yīng)用作進一步的探索。

1 測繪工程概況

湖北三鑫金銅股份有限公司現(xiàn)階段井下共有12個生產(chǎn)中段，年掘進達到2萬多米，每年需完成采場空區(qū)驗收多達120多個。目前，礦山主要采用的采空區(qū)測量儀器為VS150三維激光掃描儀，但是隨著礦山開采深度逐年增加，VS150的測量精度已無法達到驗收要求，且采用VS150三維激光掃描儀進行作業(yè)耗時過長，工作人員還需進入危險暴露區(qū)域，增加了測繪的工作難度。

針對當(dāng)前井下測量存在的問題，需引進新型測量設(shè)備技術(shù)，該測量技術(shù)需滿足測量設(shè)備體積小、工作條件適用性好且測量精度高的要求，同時引進的新技術(shù)要能兼容VS150的數(shù)據(jù)，兩者相互補充，從而節(jié)約投資，因此有必要引入無人機三維激光掃描技術(shù)。

2 無人機三維激光掃描設(shè)備及原理概述

2.1 設(shè)備概述

無人機三維激光掃描設(shè)備采用的是翼目神特種無人機測量巡檢系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由無人機（圖1（a））搭載三維激光掃描儀（圖1（b））組成，采用非接觸式激光測量，無需反射棱鏡，掃描目標(biāo)無需進行任何表面處理即可直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠，并可用于解決人員難以企及的危險環(huán)境下的測量工作，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢。

目前，翼目神地下空間特種無人機測量巡檢系統(tǒng)是基于SLAM算法的移動式三維激光掃描系統(tǒng)，可以不依靠GPS技術(shù)動態(tài)測量和記錄各種環(huán)境下的空間三維信息，因此，在礦山井下無GPS環(huán)境仍可以精確的收集地下空間數(shù)據(jù)，相對于傳統(tǒng)的三維激光采集設(shè)備，翼目神地下空間特種無人機測量巡檢系統(tǒng)可以快速、高精度地對掃描目標(biāo)進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，獲取海量點云數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)三維激光掃描測量效率有數(shù)十倍的提升。

2.2 無人機三維激光掃描原理

三維激光掃描原理主要通過激光掃描儀發(fā)出激光脈沖信號，經(jīng)目標(biāo)表面漫反射后傳回到接收器［14］，得到所測目標(biāo)點的距離s，通過水平掃描角度α與垂直掃描角度β以及已知測量距離s，即可由式（1）計算出所測點的坐標(biāo)（圖2）。三維激光掃描設(shè)備每秒可散射出數(shù)十萬激光，從而快速收集目標(biāo)表面的點云數(shù)據(jù)。

3 綜合應(yīng)用

3.1 應(yīng)用流程

無人機探測設(shè)備使用流程主要分為外業(yè)測量與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，如圖3所示。外業(yè)測量主要根據(jù)技術(shù)人員提供的地質(zhì)、工程資料以及實地考察，初步圈定掃描范圍，進行掃描作業(yè)。采用無人機探測設(shè)備對目標(biāo)采空區(qū)進行巡視掃描后，將所測量得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件中進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)冗余、點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作［15］，內(nèi)業(yè)處理采用的是翼目神特種無人機測量巡檢系統(tǒng)配套的MaptekPointStudio軟件［16］，該軟件可支持多種點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、編輯以及建模，可以輸出如DXF格式的模型文件，能夠很好地與VS150數(shù)據(jù)以及其他三維礦業(yè)軟件耦合使用。

3.2 應(yīng)用注意事項

（1）在進行無人機掃描作業(yè)前，需選定無人機起飛區(qū)域，該區(qū)域不僅能使作業(yè)人員處于安全環(huán)境，且盡可能的保證無人機起飛區(qū)域的平整，確保無人機具有良好的起飛條件，如圖4所示。特別是在井下碎石區(qū)域應(yīng)用無人機三維激光掃描時，應(yīng)增設(shè)起飛平臺來保證無人機的穩(wěn)定起飛作業(yè)（圖4（b））。

（2）由于井下無GPS信號，無人機三維激光掃描只能獲取數(shù)據(jù)的相對坐標(biāo)，在進行測繪作業(yè)前需控制無人機在控制點處環(huán)繞，對控制點進行掃描以方便后續(xù)校正模型的絕對坐標(biāo)，如圖5所示。作業(yè)人員可用掃描桿或控制標(biāo)靶球與控制點相連，使得控制點的掃描范圍更明顯。

3.3 井下無人機采空區(qū)探測應(yīng)用

采用無人機探測設(shè)備對井下中深孔爆破后形成的采空區(qū)進行測量，如圖6所示。作業(yè)人員無需靠近采空區(qū)入口，即可遠程操控?zé)o人機進入采空區(qū)進行掃描作業(yè)。

將無人機三維激光掃描點云數(shù)據(jù)結(jié)果與VS150設(shè)備掃描結(jié)果進行對比，如圖7所示?？梢钥闯?，采用傳統(tǒng)測量設(shè)備測量得到的采空區(qū)數(shù)據(jù)存在點云缺失以及點云稀疏現(xiàn)象（圖7（a）），測量精度遠達不到作業(yè)要求，而采用無人機測量設(shè)備得到的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)更完整（圖7（b）），可以較好地展現(xiàn)采空區(qū)的三維形貌，為后續(xù)采空區(qū)形態(tài)與體積的精確測量提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，在采用傳統(tǒng)測量設(shè)備進行測量時，需架設(shè)多個點位，作業(yè)耗時長，且工作人員多次進入采空區(qū)內(nèi)部危險區(qū)域，存在較大的安全隱患。最后測得采空區(qū)總體積1.22萬m3，所構(gòu)建的采空區(qū)三維模型如圖8所示。

4 討 論

井下無人機探測設(shè)備相對于傳統(tǒng)測量設(shè)備，可對井下采空區(qū)進行更精確的探測，使得湖北三鑫金銅礦井下采空區(qū)探測結(jié)果更精確、探測效率更高，優(yōu)勢如下：①操作簡單、無需輔助配件；②實用性強，人員可遠離危險區(qū)域遠程操控測量；③掃描速度快，單個采空區(qū)測量時間7 min（含儀器組裝、架設(shè)時間）；④操作人員少，數(shù)據(jù)采集僅需1～2人即可完成測量；⑤無人機三維激光掃描設(shè)備更適用于湖北三鑫金銅礦井下惡劣環(huán)境。

自主智能無人機應(yīng)用于地下礦山采場和井巷工程的三維空間數(shù)據(jù)采集，具有安全、高效、簡便等不可替代的優(yōu)勢。與現(xiàn)有的空區(qū)測量技術(shù)以及傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù)相比，無人機采集數(shù)據(jù)時間更短，同時將人員暴露在危險區(qū)域的機會降至最低，可以極大提高礦山作業(yè)安全和生產(chǎn)效率，此外無人機三維激光掃描技術(shù)不僅可用于井下采空區(qū)的掃描，還可進一步用于其他方面。

（1）無人機三維激光掃描技術(shù)可對開采區(qū)域進行掃描，掌控采場的開采空間的精確數(shù)據(jù)，可分析采場超挖與欠挖狀況，有助于采場收方、爆破量與出礦量的計算。

（2）無人機三維激光掃描技術(shù)可應(yīng)用采場充填工況的掌控，通過無人機進入正在充填的采場內(nèi)進行掃描，通過建模分析出充填采場的空間數(shù)據(jù)，有助于充填作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度，可以獲得有關(guān)回填位置、高度和體積的準(zhǔn)確信息。

（3）使用無人機對放礦口堵塞部位進行測量，可以清楚地了解堵塞情況，以便讓作業(yè)人員及時制定出相應(yīng)的措施。

（4）無人機三維激光掃描技術(shù)可定期對巷道進行巡測，及時收集巷道的收斂數(shù)據(jù)，分析巷道的巖石破碎區(qū)域，有助于作業(yè)人員及時對巷道進行支護。

5 結(jié) 論

（1）簡述了無人機三維激光掃描設(shè)備及其原理，并對無人機三維激光掃描設(shè)備在井下應(yīng)用的流程與注意事項進行論述，可以看出無人機三維激光掃描設(shè)備無需進行復(fù)雜的預(yù)處理工作即可開始掃描作業(yè)，降低了掃描作業(yè)的繁瑣程度。

（2）采用無人機三維激光掃描設(shè)備對三鑫金銅礦井下中深孔爆破形成的采空區(qū)進行探測，并將無人機三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)與VS150掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)無人機三維激光掃描獲取的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)更精確、更完整。

（3）無人機三維激光掃描技術(shù)具有操作簡單、實用性強、掃描速度快等優(yōu)勢，可作為一種高效、安全、精確的地下礦山新型探測手段。