大空間礦山地下礦區(qū)采用新型三維掃描方式協(xié)助作業(yè)

海南石碌鐵礦位于海南島昌江縣石碌鎮(zhèn)境內(nèi)，北距省會海口市?280?多公里，西與八所港有鐵路相通，相距僅?52?公里。是我國冶金部大型露天礦之一，因鐵礦品位高著稱，?是我國最大的富鐵礦。由于其礦藏的珍貴資源價值，使得其開發(fā)、開采、計量、尾礦等方面都要求尤為謹(jǐn)慎。

主測區(qū)位于地下-150?米，-200?米區(qū)域的鈷銅礦產(chǎn)層，主要被測目標(biāo)是該區(qū)域內(nèi)的?8?個礦洞采空區(qū)，各采空區(qū)之間由巷道相接，采空區(qū)高程落差最大接近?50?米，前后縱深?1.5?公里，?結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜并且大部分采空區(qū)只有單一通道，不利于常規(guī)測量進(jìn)行正常作業(yè)；由于礦區(qū)仍在持續(xù)生產(chǎn)作業(yè)并且礦區(qū)內(nèi)部采用爆破式開采方式，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)巖層不穩(wěn)定，可能會出現(xiàn)落石或垮塌的危險，所以要求測量人員和儀器不能長時間在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

項目成果要求：全部采空區(qū)完整拼接三維點云數(shù)據(jù)、各采空區(qū)實體三維數(shù)字模型、采空區(qū)三維等值線圖，-150?米和-200?米中段平面圖。

一、技術(shù)難點分析：

1.?地下礦洞屬于高危環(huán)境，往往伴隨著滑坡、垮塌、滲水、瓦斯泄漏等等危險狀況出現(xiàn)。所以礦下測量工作都要求在保證人員和儀器設(shè)備安全的前提下盡快的完成所需要的測量工作，但是常規(guī)測量方式的復(fù)雜性與反復(fù)性讓這部分測量工作尤為危險。但是利用三維掃描儀的高速海量數(shù)據(jù)采集這一特性則可以在非常短的時間內(nèi)對單個地下礦井或采空區(qū)進(jìn)行全方位的掃描。這大大減少了人員和儀器在礦下作業(yè)的時間，很大程度上降低了發(fā)生事故的幾率。

2.?常規(guī)礦山礦洞測量要進(jìn)行復(fù)雜的控制網(wǎng)及導(dǎo)線布設(shè)，尤其是有縱深高差的地下礦井或礦洞測量，不僅要進(jìn)行一系列復(fù)雜的布線控網(wǎng)還需要對高程把控做獨立的高程測量，?常用方式采用鋼絲吊點，反復(fù)多次進(jìn)行測量才能保證整個礦區(qū)高程精度相對精準(zhǔn)，但多次測量的累積誤差也使得其測量成果只能用于粗略定位，難以達(dá)到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析的要求。這一點是現(xiàn)階段礦山測量的現(xiàn)實狀況，短時間內(nèi)也沒有更科學(xué)精準(zhǔn)的方式解決這一問題。但是利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描這一問題就能得到相對更好的解決；由于激光掃描儀不但可以采用非常高的分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而且能獲得三維數(shù)據(jù)，因此很容易生成較其他常規(guī)測量方法更為準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型。它比傳統(tǒng)的?GPS?全站儀的測量作業(yè)方式作業(yè)效率更高，優(yōu)勢非常明顯，外業(yè)人員的作業(yè)強度也大大降低。

3.?地下礦井或采空區(qū)往往不是獨立存在，大部分都形成一個地下礦區(qū)帶，多以巷道相聯(lián)的樹狀結(jié)構(gòu)。常規(guī)測量方式往往只能保證獨立礦井或采空區(qū)的相對坐標(biāo)精度，在將整個礦區(qū)帶聯(lián)系起來的時候由于要多次進(jìn)行引點，形成了多次的累積誤差，導(dǎo)致各個獨立采空區(qū)之間的絕對位置精度存在很大差異，不利于精確數(shù)據(jù)的分析。但是利用三維點云處理軟件的高精度點云自動拼接這一功能則可以最大限度減少這一誤差。往往大面積的地下礦帶只需要在特殊連接位置進(jìn)行幾個引點就能將整個地下礦區(qū)精確配準(zhǔn)拼。

二、掃描測量

人員和常規(guī)設(shè)備無法進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部，掃描儀則可在采空區(qū)通道口對采空區(qū)進(jìn)行大面積掃描采集。在復(fù)雜的礦洞環(huán)境下三維掃描儀能最大限度采集完整數(shù)據(jù)，高速精確。

通過多站掃描拼接，一個完整的巷道系統(tǒng)可以以三維點云形式呈現(xiàn)出來

在無光照的礦洞內(nèi)掃描結(jié)果良好，點云平滑淺薄、雜點少

三、數(shù)據(jù)處理

掃描點云數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪和抽悉仍會有不可避免的掃描盲區(qū)，但整體數(shù)據(jù)完整。

利用三維后處理軟件?Geomagic?對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝補洞，保證數(shù)據(jù)完整性，并自動計算礦洞容積，也就是開采量。

再將完整數(shù)據(jù)導(dǎo)入riscan?中進(jìn)行下一步的提取等值線和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)處理過程輕松簡單快速。

四、數(shù)據(jù)成果展示

采空區(qū)整體高程模型

采空區(qū)原始點云對比

通過多站掃描能把整個采空區(qū)及連接巷道掃描拼接形成一個完整的地下礦帶

采空區(qū)三維等高線，擁有了點云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和線畫圖，可以輕松得到采空區(qū)各層面積及采空區(qū)容積，方便回填。

利用點云截取二維平面數(shù)據(jù)形成完整的地下礦井分布分層平面圖

整個項目總工期兩天半，共掃描?8?個采空區(qū)，共架設(shè)掃描?19?站，除去常規(guī)測量引點用時

和在礦洞內(nèi)行走耗時，掃描儀真正工作時間大概為?3?個半小時，內(nèi)業(yè)處理分為點云數(shù)據(jù)去噪抽稀、總體拼接、高程模型建立、二維及三維等高線繪制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)由一名技術(shù)員處理，總用時5?天，相比常規(guī)用全站儀引點進(jìn)行單點測量，掃描儀完成整個項目的時間為常規(guī)測量用時的十分之一，大大節(jié)省了時間提高了效率降低了成本。

項目功能及應(yīng)用范圍解析

地下礦洞采空區(qū)測量工作包含采挖量計算、采空區(qū)等值線繪制、巷道二維圖、數(shù)字高程模型建立等主要工作，常規(guī)方式用免棱鏡全站儀進(jìn)行多次的單點測繪，需要耗費很長的周期才能勉強把采空區(qū)地形輪廓測量完整，并且與實踐偏差較大，從而導(dǎo)致采挖量計算出現(xiàn)較大偏頗，?造成重大的經(jīng)濟損失，也同時影響后期采空區(qū)回填工作的正常進(jìn)行。

三維激光掃描儀幾乎適用全部類型的地下礦區(qū)掃描及作業(yè)，并且在無自然光影響的情況下能得到最好的掃描效果，唯一需要注意的是地下采空區(qū)的高濕度和高粉塵含量的作業(yè)環(huán)境，優(yōu)先選擇防塵防水等級較高的Riegl?掃描儀進(jìn)行作業(yè)。

地下巷道部分

地下巷道部分共測量三站，從下午?4?點開始，5?點半結(jié)束，每站掃描?2?分鐘?21?秒，有效

測量時間為?7?分鐘。

巷道部分點云圖

在點云的基礎(chǔ)上選出有效區(qū)域

通過點云進(jìn)行三維建模

巷道模型展示

通過模型建立斷面線（間隔?1?米）

查詢?nèi)我鈹嗝孀鴺?biāo)屬性

閉合模型，測算巷道體積

項目功能及應(yīng)用范圍解析

利用三維激光掃描儀對露天礦坑進(jìn)行掃描是當(dāng)今社會采礦行業(yè)公認(rèn)的一種最尖端的作業(yè)方式，利用這種作業(yè)方式不但能實現(xiàn)礦區(qū)的盤庫、計量、實時監(jiān)控、設(shè)計調(diào)整等目的，還能從很大程度上節(jié)省人力物力以及時間等資源成本，在不久的將來必定會替代常規(guī)礦山測量方式而成為主流的礦山測繪儀器。

三維激光掃描儀適用于全部的露天礦坑掃描，并且礦坑及周邊基本沒有植被覆蓋，能很完整細(xì)致的掃描出礦山地形，并且在礦山的方量計算、實時監(jiān)控、開挖設(shè)計、數(shù)據(jù)存檔方面都能提供良好的技術(shù)支持。