三維激光掃描儀井下安全監(jiān)測技術

1、第 63 卷 第 4期 有 色 金 屬 ( 礦山部分 2011年 7 月 欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞 欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞 DOI :10. 3969/j issn 1671-4172. 2011. 04. 001 三維激光掃描儀井下安全監(jiān)測技術 達 , 王利崗 (北京礦冶研究總院 , 北京 100070 摘 要 : 闡述三維激光掃描技術的原理及其在礦山井下安全監(jiān)測中的應用情況, 介 紹國內外針對礦山安全監(jiān) 測領域推出的三維激光掃描產品及其特點 , 分析并展望三維激光掃描儀在礦山安全監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢 , 指出三 維激光掃 描技術是井下空區(qū)安全監(jiān)

2、測的技術創(chuàng)新和重要手段 。 隨著礦山信息化的快速發(fā)展 三維激光掃描儀必將 在礦山井下安全監(jiān)測中發(fā)揮重要作用 。 關鍵詞 :三維激光掃描 ; 井下安全監(jiān)測 ; 空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng) 中圖分類號 :TD76 文獻標識碼：A 文章編號 :1671- 4172(2011 04-0001-04Underground safety monitoring technology based on 3D laser scanner ZHANG Da , WANG Ligang (Beijing General Research Institute of Mining Metallurgy , Beijing 10007

3、0, China Abstract :In this paper , the theory of 3D laser scanning technology and its application in underground safety monito-ring are stated , and the 3D laser scanning products at home and abroad and their characteristics aimed at mine safety moni-toring are introducedThe trendency of 3D laser sc

4、anning system in mine safety monitoring field is analyzed It is pointed out that the 3D laser scanning technology belongs to technological innovation and important mean in safety monitoring of un-derground cavity With the rapid development of mining informatization , the 3D laser scanner will play a

5、n important role in the safety monitoring of underground mines Key words :3D laser scanning ; underground safety monitoring ; cavity monitoring system 基金項 目 :國家高技 術研 究發(fā)展計 劃 (863計劃 重點項目 (2008AA062101 。 作者簡介 :張 達 (1980 , 男 , 博士 , 自動化專業(yè) , 主要從事礦山行 業(yè)高新技術研發(fā)工作 。 引言 留礦法 、 空場法等礦山資源開采方法的使用使 我國的許多礦山形成大量的采 空區(qū) ,

6、 如甘肅廠壩鉛 鋅礦 、 廣東大寶山礦 、 廣西大廠鉛鋅礦 、 黑龍江西林 鉛鋅 礦、 銅陵獅子山銅礦等 。 而且 , 長期以來許多民 營礦山私挖亂采形成的大量空區(qū) 群形態(tài)不一 、 錯綜 復雜 。另外 , 由于許多私營礦山的開采沒有經過正 規(guī)設計或 設計資料不全 、 遺失等 , 無法確定這些采空 區(qū)的位置和具體邊界 。 受地壓及爆破 震動等影響 , 這些未經處理的采空區(qū)會導致礦山開采狀態(tài)惡化 , 引起礦柱嚴重變形 相鄰采場及巷道維護難度加大 , 發(fā)生大面積冒落及地表塌陷等 , 這些已經成為目前 影響礦山生產安全的重要危害源之一 1 。 因此 , 科 學地探明井下采空區(qū)的條件狀態(tài)和空間形狀 ,

7、為空 區(qū)安全治理和資源回采提供準確的設計依據(jù) , 已成 為保障礦區(qū)人民生命財產安 全和礦山企業(yè)安全生產 的迫切需要 2 。 目前 , 對于采空區(qū)的探測 , 通常是首先查閱采礦 設計等相關資料并進行現(xiàn)場實 地調查 , 然后利用現(xiàn) 有的各種物探方法進行探測 , 最后以鉆孔探測的方 法進行驗 證。 這些方法不僅成本高 , 而且只能得到 鉆孔處的點數(shù)據(jù) 。 近年來新興的地球物 理探測方法 顯示出較強的地質信息揭示能力 , 主要有探地雷達 法 3 、 高密度電法 3 4和三維激光掃描法 5 等 , 其 中三維激光掃描法具有探測精度高 、 探測速度快 、 對 周邊環(huán)境影響小等一 系列優(yōu)點 , 具有廣闊的應

8、用空 間。 運用三維激光掃描這一新技術 , 可以精密測量 空區(qū)的空間性狀和形態(tài)，通過實時數(shù)據(jù)分析，可以對井下空區(qū)變形等進行監(jiān)測，為 低成本、快速、準確安全地監(jiān)測地下空區(qū)提供了可能 1空區(qū)三維激光掃描儀原理 三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術的新 China All rights reserved. Publishing House. 1994-2011 Academic Journal Electronic 型三維坐標測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取被測 對象表面的陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)，其工作原理如圖1所示 China All rights reserved. Pu

9、blishing House, httpwwwxnki.訂誓 t 1994-2011 Academic Journal Electronic 圖1 三維激光掃描儀的測量原理 Fig. 1 The survey ing prin ciple of 3D laser sea nner 其核心技術為激光雷達技術 (Laser Detect and Ranger , Ladar，這是一種先進的主動傳感方法，它采用激光作為傳感的載體 通過發(fā)射受控制的激光 來照射被測目標， 然后接收被測目標的后向散射，根據(jù)激光的往返時間或者相位差來精確測定距 離信 12ct或s =入 4 n 其中:s為待測距離， c 為

10、光速 , t 為激光的往返 時間 , 而 為相位差 。 采用相位差法能夠達到高的測量精度 , 但需要 好的反射光才 能夠測量 , 一般需要專用的合作目標 (如激光跟蹤儀采用專用靶球 , 在空區(qū)監(jiān)測應 用中 難以使用 。 目前三維激光掃描儀主要采用 TOF 脈沖測距 法 (Time of Flight , 即計算激光的 往返時間 , 這是一 種高速激光測時測距技術 。 采用脈沖測距法的三維 激光點坐標 計算方法如下 : x =s cos 0 cos a y =s cos 0 sin a z =s sin 9 其中 , s為三維激光掃描儀通過脈沖測距法得 到的距離測量值，和0分別為由角度 編碼器控

11、制 并同步測量的每個激光脈沖的軸向掃描角度測量值 和徑向掃描角度測 量值 。 三維激光掃描測量一般使 用掃描儀內部的坐標系統(tǒng) , 為三維立體坐標系 , 默認 儀器中心位置坐標為 (0, 0, 0 。 三維激光掃描測量儀在開始工作之前 , 會依據(jù) 圖 2 采用脈沖測距法的三維點坐標 Fig2 The 3D coordinates of TOF method 補償器自動設定初始位置 , 在已知儀器中心點坐標 (x 0、y 0、z 0和儀器初始化方位B儀器初始化后初始 方位與用戶坐標系中 北方位夾角 的情況下 , 通過 平移 、 旋轉 , 把觀測點的坐標數(shù)據(jù)換算至用戶坐標系 統(tǒng) : X n =x 0

12、+x cos 0 Y n =y 0+y sin 0 Z n =z 0+ z (X n 、 Y n 、 Z n 為用戶坐標系中各測點的坐標 。 每次觀測得到的空區(qū)大量 觀測點的坐標數(shù)據(jù)以 及對應每個測點的激光反射率數(shù)據(jù)稱之為點云數(shù) 據(jù) 。 利用網格技術將點云坐標連接成曲面 , 就形成 了觀測空區(qū)的三維圖像 。 當進行多期觀測時 , 就可 以通過對多期圖像的變化分析求得空區(qū)的變形 , 當 相鄰兩 期觀測的空區(qū)圖像發(fā)生局部或大范圍變化 時 , 可以推斷期間發(fā)生了巖壁垮落 。 2 井下空區(qū)三維激光掃描儀及其特點 2. 1 CMS 空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng) 2. 1. 1 系統(tǒng)介紹和組成 20世紀 90年代初 ,

13、空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng) CMS (Cavity Monitoring System 由 加 拿大 Noranda 技術 中 心和 Optech 公司共同研發(fā) , 目 前已經在全球各大礦山廣 泛應用 , 并且已成為礦業(yè)發(fā)達國家地下采場和空區(qū) 監(jiān)測 的重要手段，尤其是在人員無法進入的危險空 區(qū)中，利用CMS可以進行有效地測 量和監(jiān)測。 CMS使用時，首先需將CMS放置在空區(qū)內的某 一固定位置，然后對空區(qū)進行 全方位掃描，采集空區(qū) 邊界的三維點坐標（X , 丫 , Z并儲存于CMS的內置存儲單元中。經過數(shù)據(jù)轉換后，可將坐標數(shù)據(jù)導 入 礦山專業(yè)軟件（如SURPAC , DATAMINE , VULCAN 等 生

14、成采場或空區(qū)的三 維模型。CMS體型較小， 可通過直徑20cm左右的鉆孔將激光頭伸入到危險 空區(qū)中進行探測，而操作人 員則可以通過手持終端設備在安全的位置進行遙控操作 。2. 1.2CMS原理及監(jiān)測 過程 使用CMS對空區(qū)進行測試前一般需對空區(qū)周邊現(xiàn)場進行安全檢查，尤其是操 作人員需要進入的 場地，確保人員的安全。CMS儀器為模塊化組件，安裝相對比 較簡單。安裝時，首先將激光掃描頭固 定在碳纖維材質的支架上，然后將它穩(wěn)固 安裝在空區(qū)的某一位置，該位置應盡量能掃描到空區(qū)的所有 角落（如圖3所示 China All rights reserved- Publishing House. httpz/

15、Avwwxnki.nct 1994-2011 Academic Journal Electronic 圖 3CMS 的操作方式 Fig3 The operating mode of CMS 掃描結束后 , 需要對 CMS 采集到的數(shù)據(jù)進行處 理 , 主要分 3個步驟 :1 采用 CMS 激光掃描獲取空間點云數(shù)據(jù) , 通過數(shù)據(jù)傳輸 線從控制箱接收掃描到的數(shù)據(jù) , 控制箱將點云數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送至手持終端 , 然 后再將手持終端上的點云數(shù)據(jù)下載到后期數(shù)據(jù)處理計算機 中 ; 2 點云數(shù)據(jù)被保存成“ txt 格式”的文本文件 , 一個點數(shù)據(jù)包括一個距離值和兩 個角度值,采用系統(tǒng)自帶的軟件CMS Pos

16、Process將文本文件轉換為通用 格式文件 這樣就可以通過 CAD 軟件或礦山專業(yè)軟件 (如 SURPAC 、 DATAMINE 等處理并使用 ; 3 通過采用 CMS 專用的數(shù)據(jù)處理軟件 QVOL 處 理經過轉換的點云數(shù)據(jù) , 生成空區(qū)的三維圖形 。通過 3D 網格獲得任何方向上的任 意空區(qū)剖面 , 并自動計算空區(qū)體積和剖面面積 。 2. 2C-ALS 系統(tǒng) 2. 2. 1 系統(tǒng)介紹和組成 C-ALS (Cavity Auto Scanning Laser System最早 于 1996年進入市場 , 是世界上第一款能通過地面上 鉆孔對地下空區(qū)進行掃描的裝置 , 該儀器的性能已在很多條件惡

17、劣的地下測量 實踐中得到了驗證 , 并 廣泛應用于全球各相關行業(yè) ?？諈^(qū)激光自動掃描系 統(tǒng) (C-ALS 包括硬件和軟件兩大部分 。硬件部分包括探頭、鉆孔攝像頭、 標準加長件、地面控制裝置、 Boretrak 探桿、絞架、通信電纜以及搬運箱等 。 其中 Boretrak 探桿是為了在磁性區(qū)域配置使用 C-ALS 而專門設計的 , 因為在磁性 區(qū)域無法通過使用指南針來決定探頭朝向,在這種場合下,Boretrak探桿將為C- ALS提供最精確和穩(wěn)定的定位方式 。C-ALS系統(tǒng)組件見圖4 China All rights reserved. Publishing House. http:/wwwxn

18、kfnct 1994-2011 Academic Journal Elwtronic 圖4C-ALS系統(tǒng)組件 Fig. 4 The compositi ons of C-ALS 軟件部分主要是與C-ALS系統(tǒng)配套的遠程控 制軟件C-ALS Control Software , 其操作界面如圖5所示 China All rights reserved. Fublihing House. http:/ 1994-2011 Academic Journal Electronic o 圖5C-ALS控制軟件 Fig. 5 C-ALS con trol software 2. 2. 2C-ALS系統(tǒng)原理

19、及監(jiān)測過程 C-ALS系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)激光的射出角度和探測距離值進行定位，激光 從光源發(fā)射到某個目 標表面并反射回來，用高頻數(shù)字電路測定其經歷的 往返時間，并以此來計算光 源和目標之間的距離，并通過角度編碼器等部件測定激光頭轉過的角度?？?區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)（C-ALS依靠無線終端控制掃 描頭采集數(shù)據(jù)，通過通信電 纜傳輸?shù)娇刂栖浖羞M行數(shù)據(jù)轉換和處理，生成空區(qū)的三維模型，也可以將數(shù)據(jù)導 入 SURPAC、 VUL2CAN、DATAMINE等專業(yè) 礦山數(shù)據(jù)處理軟件中,進行各種數(shù)值計算 并作為采 礦設計和穩(wěn)定性分析的依據(jù)，其工作流程見圖7 China All rights reserved.

20、Publishing House, httpy/wwxnki-nct JW4-201I Academic Journal Electronic 圖7 三維激光掃描順序 Fig. 7 The sea nning seque nee of C-ALS 3國內三維激光掃描技術的發(fā)展 目前國內在三維激光掃描測量技術尤其是硬件 技術方面的研究還相對落后，但也有了一些初步成果 7 。 早在 20世紀 90年代 , 中國科學院遙感應用 研究所的李樹楷教授主持研究了國內第一臺機載線 掃描原理樣機 , 目前正在進一步改進和完善 。 武漢 大學李清泉教授在 2000 年 主持開發(fā)研制了地面激 光掃描系統(tǒng) , 但沒

21、有集成定向系統(tǒng) , 目前主要用于堆 積測 量 。 目前 , 國內還沒有成熟的三維激光掃描硬 件系統(tǒng) , 而國外三維激光掃描測量 系統(tǒng)的價格依然 非常昂貴 。 國內針對礦山應用的三維激光掃描技術發(fā)展起 步較晚 , 目前還停留在以使用國 外相應產品為主的 應用層面上 , 具有自主知識產權的井下空區(qū)三維激 光掃描儀更 是難覓蹤跡 。 2008年 , 為了滿足國內礦 山行業(yè)日益增強的對三維激光掃描技術的 應用需 求 , 北京礦冶研究總院申請并成功實施了國家 863計劃重點項目 千米深井地壓與高溫災害監(jiān)測技術 與裝備 中的課題 深井空區(qū)大變形及巖壁垮落激 光掃描智能化監(jiān)測技術與裝備 , 針對井下空區(qū)變

22、形監(jiān)控等礦山應用自主研發(fā)了具有我國自主知識產 權的井下空區(qū)變形監(jiān)測三維激光掃描儀 , 該項目緊 密結合我國礦山企業(yè)對井下 空區(qū)變形精確監(jiān)測和安 全狀態(tài)獲取這一重要需求 , 廣泛調研國內外三維激 光掃 描技術發(fā)展現(xiàn)狀 , 借鑒已有技術模式 , 創(chuàng)造性地提出 了變步距自適應空間分辨率掃描 、 掃描立方插值 , 補 洞及匹配等三維激光掃 描的關鍵技術 , 相對于國外 同類產品 , 該項目研發(fā)的井下空區(qū)三維激光掃描儀 具有 全自動操作 、 探測距離遠 、 探測精度高 、 探測模 式豐富 、 產品成本低等特 點 。 目前該項目已經完成 了產品試制 , 井下空區(qū)現(xiàn)場測試也正在緊鑼密鼓地 進行 , 已經取得了一定的成果 , 同時 , 產品也在進一 步進行改進和產品化定型 , 該系 統(tǒng)的成功研究將填 補國內空白 , 必將極大促進國內井下空區(qū)監(jiān)測技術 的發(fā)展 , 同時 也會提高國內有關三維激光掃描測量 技術的研發(fā)水平 , 促進這一技術在其他相關領 域的 應用和發(fā)展 。 4 三維激光掃描技術在井下安全監(jiān)測 中的發(fā)展趨勢和展望 三維激光掃描儀的井下空區(qū)變形測量和安全監(jiān) 測應用是三維激光掃描技術的 一種特定行業(yè)應用 , 其發(fā)展應與礦山