基于ZEB三维激光扫描溜井探测及点云可视化应用

基于ZEB三维激光扫描溜井探测及点云可视化应用

王富

云南锡业集团控股公司   大屯锡矿     

摘要：三维激光扫系统 (ZEB-SLAM+)具有全自动扫描获取高质量点云、操作方便、数据处理简单,探测人员无须进入溜井等特点。利用手持三维激光扫描对矿山的溜井井筒进行扫描探测 ,可了解其形状、大小和位置 ,运用点云解算、点云处理、点云建模软件进行编辑与成图并建立溜井三维模型。为溜井的安全管理提供可靠的理论依据 ,从而确保溜井附近采矿作业安全与溜井运输平巷安全。

关键词： 手持三维激光扫描    溜井点云数据采集   点云可视化应用

1、引言：溜井是指利用自重从上往下溜放矿石的巷道。它在平硐开拓或竖井开拓的矿山获得广泛应用；是矿山最重要的工程之一，主要功能是负责集贮和转运井下开采矿岩。在生产过程中，由于频繁受到矿岩冲击碰撞和冲刷，溜井井壁会出现磨损甚至破坏，当破坏发展到一定程度，可能威胁到整个溜井系统和运输巷道的安全。

    为了保证溜井的畅通和矿山正常生产，需要定期对溜井进行检测。由于溜井构造的特殊性，人员无法进入了解内部情况，应用传统碎步测量方式也无法获得内部数据。三维激光扫描仪的应用现结合三维激光扫描仪的特性，采用非接触式测量，测量人员无需进入溜井内部，在保障人员安全的前提下，可快速、安全的采集高精度的点云数据，依据溜井点云建立溜井三维模型，通过分析溜井垮塌方量、垮塌位置、溜井构造裂隙、溜井与其他巷道工程的空间关系等，为后期溜井维护及修复提供精确数据依据。

2、溜井扫描系统组成与实施步骤

在实施溜井扫描测量前，必须发出通告，保证测量时无上部无溜矿、底部无卸矿工作；溜井的各个中段通口实施人员站岗警戒，并测量井口到溜井集贮矿石的垂直距离。

2.1系统组成

整个数据采集系统由四部分组成：扫描设备下放系统、设备保护系统、溜井井筒点云数据获取系统、点云解算与后处理建模系统；

2.1.1扫描设备下放系统

设备下放系统主要由2根直径4毫米长度1.2米钢丝绳分别对折穿过2个304不锈钢旋转“8”字转环其中各自一个闭环，4个绳头固定于防碰撞击打箱的四个顶角，再采用2根直径为12毫米长度分别为80米登山防打结绳穿过304不锈钢旋转“8”字转环各自另外一个闭环并固定。登山绳间隔5米标上5米倍数递增数字，此系统在下放的过程中依靠登山绳和不锈钢旋转“8”字转环释放自身内力，构造平行力矩，保证登山绳不打结，设备不旋转；依照登山绳上的数字标识保证设备平稳，同时2根登山绳还构成各自保护作用，保障设备下放安全，不脱落。

2.1.2扫描设备保护系统

设备保护装置采用厚度1.5毫米的304不锈钢钢板焊接成一面开放的0.3米×0.3米×0.3米的正方体并焊接盖板门，中间焊接平分正方体开孔隔板，用于承载扫描仪数据存储和供电系统，激光扫描头螺丝固定于0.3米×0.3米的正方形不锈钢片，此正方形不锈钢片采用螺丝贴合正方体中间焊接的开孔隔板固定；开孔大小保证数据连接线能顺利穿过。此装置的作用是保证扫描设备在下放的过程中不与溜井壁发生碰撞，也保证掉落的碎石不砸伤设备。

2.1.3溜井点云获取装置

溜井点云获取装置ZEB HORIZON-SLAM手持三维激光扫描仪，依靠SLAM算法实现自动构图，快速获取溜井点云数据。

2.1.4点云解算与后处理建模系统

点云后处理包含点云解算、点云格式转换、相对坐标与绝对坐标转换、点云建模四个过程。点云解算采用ZEB HORIZON-SLAM手持三维激光扫描仪自带的HAP软件解算，数据解算以后将点云转换成可以进行编辑的点云格式（.las/.laz/.ply）等格式，进而通过Reconstructor或者CloudCompare软件进行坐标转换，建立溜井的点云数据与周边井巷工程统一的坐标系统，最后通过Geomagic Control或3DReshaper 实现点云抽希、建立溜井工程模型文件。通过dimine等三维软件查看溜井形态和，周边工程的位置关系。

3、点云可视化化应用

通过扫描 ,能得到溜井轮廓点云数据数据，这些“点云”通过处理可得到溜井三维形状进而对溜井形态、溜井稳定性等作出安全生产决策。

3.1溜井模型快速生成溜井剖面图

    溜井点云数据生成的溜井模型通过dimine可快速生成溜井剖面图，通过对溜井剖面图的分析可以得出溜井最大轮廓线的同时可以发现在多高的位置溜井有垮落的现象；

3.2溜井模型可快速测量溜井容积

3.3定期对溜井点云数据的采集可以实现对溜井分阶段的监测工作，从而为溜井的稳定性和安全性提供技术支撑，可以实现对溜井存在的安全隐患作出评估。

4、结论

4.1溜井扫描工艺的应用可以提供准确的溜井形状，解决溜井测量作业难度大的工艺瓶颈；

4.2溜井点云数据的应用，可以提供溜井准确的体积容量，为实际生产提供指导；同时可以测算溜井放矿系统承载压力，排查涌矿隐患；

4.3定期对溜井点云数据的采集可以实现对溜井分阶段的监测工作，为安全生产提供技术依据；

5、参考文献

参考文献:

[1] 陈鹤鸣,赵新彦编著.《激光原理及应用》[M].北京：电子工业出版社.2009

[2]王建文,李青.对三维激光扫描系统的研究和改进[J].计算机工程与设计，2008.30(6):1518-1519

[3]徐进军,张明伟.地面3维激光扫描仪：现状与发展[J].测绘通报，2007.1: 47-50

[4]郑炎兵，陈志扬.地面三维激光扫描仪的应用[A].中南地区城市勘测改革发展暨学术研讨会论文集[C].广州： 广州市城市规划勘测设计究,2006:142-144