三维激光扫描仪在矿山采空区探测中的应用

三维激光扫描仪在矿山采空区探测中的应用

吕宏达

内蒙古黄岗矿业有限责任公司 内蒙古自治区赤峰市025350

摘要：采空区严重影响后续矿体开采规划，矿石是不可再生资源，如何充分合理采用，最大限度避免资源浪费，是各矿山面临的难题。基于此，本文重点分析了三维激光扫描仪在矿山采空区探测中的应用。

关键词：三维激光扫描仪；矿山采空区；应用

采空区是由人工挖掘或天然地质运动在地表下产生的“空洞”，具有分布广、总量大、隐伏性强、规整性差、塌陷难以预测等特点，导致采矿期间人员和设备掉入空区，存在安全隐患及事故。而三维激光扫描技术能快速扫描空区表面获取三维点云数据，具有探测速度快、模型精度高、空区模型真实感强等特点。

一、三维激光扫描技术特点

三维激光扫描技术是一种高精度、非接触式测量技术，能快速获取物体三维形状和结构。该技术经激光测距仪向目标物体发射激光束，检测激光反射后的时间及强度，并利用三角测量原理计算出目标物体三维坐标信息。其具有测量精度高、数据采集快、不受环境影响等优点，在各领域得到了广泛应用。

1、非接触式。该技术通过记录激光信号往返被测物体的时间来获得仪器与被测物体间距离，从而间接计算出被测物体三维空间数据，避免了因接触或对被测物体表面进行处理造成的破坏。

2、数字化程度高、扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字特征，易于处理、分析、输出、显示，而且后处理软件用户界面友好，能与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好扩展性。

3、高分辨率。三维激光扫描技术能快捷、高质量、高密度的进行三维数据采集，从而达到高分辨率目的。

4、应用广泛、适应性强。由于其良好的技术特点，对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量。

二、矿山采空区的危害

采空区是指矿产被开采后留下的空洞，是一种常见的地质现象，对环境及人类有着重要危害作用。

1、地面沉陷。采空区的形成会导致岩石及矿石被取走，使地表失去支撑，引发地面沉陷，导致地表下降，从而带来不可忽视的损害。

2、地面塌陷。采空区的存在给岩层带来了空洞，这些空洞会进一步发展为地面塌陷，从而导致地表大面积坑洞，进而带来威胁。另外，还会引发地表裂缝，增加地表的不稳定性。

3、水资源破坏。采空区的形成破坏了地下水的储存及补给条件，会对周边的水资源产生巨大影响，导致地下水位下降，降低水资源的有效利用；并且还会导致地下水与地表水间的交通，带来水质污染风险，影响人类饮水安全。

4、损害生态环境。采空区的形成会破坏地下生态系统，还会对地表生态环境带来一系列影响，导致地表植被减少，破坏野生动植物的生存条件，还会影响地表的水循环，破坏湿地及水生态系统。

三、三维激光扫描技术在矿山采空区测量中的应用

1、布设采空区控制网。在三维激光扫描仪使用中，所采用坐标系是将扫描仪当作中心实施独立性坐标系的构建。而想要把各独立性坐标系向统一坐标系内转化，就要求将存在于矿区测量的坐标系统内坐标控制点向各采空区引入，后每站的扫描就可借助对具备真实性坐标公共的标靶扫描，这样就能实现对点云数据的坐标系统有效统一，且点云数据的坐标及矿区测量的坐标系实现统一。因此，通过全站仪以光电测距的导线形式，把测量控制点向全部采空区周围合理布设。

2、地质构造及岩层分析。三维激光扫描技术在矿山采空区测量中的应用涉及地质构造和岩层分析，为矿山工程师提供详尽地下结构信息。①激光扫描技术能以高精度获取地质构造细节信息，通过扫描采空区，洞察地下结构微观变化，包括裂隙、断层等地质特征，使工程师能更全面理解地下构造，从而制定合理开采方案。②高分辨率的激光扫描数据支持岩层分析，这项技术能识别岩层间变化，包括岩石类型和质地，还能捕捉到可能存在的变形和断裂，这些详细的岩层分析为评估矿体稳定性、预测地质灾害风险提供重要依据。通过对激光扫描数据进行岩层分析，矿山工程师能准确评估地下结构稳定性，识别潜在地质风险点，为矿山安全管理提供有效手段。如经定期扫描采空区，工程师能监测到地下结构变化趋势，发现可能存在的裂缝、滑坡等地质灾害迹象。这种实时监测能力为及时采取预防措施提供了机会，减缓或避免潜在地质灾害风险。

3、巷道结构平面识别与信息提取。三维激光扫描点及云数据结构在巷道结构平面识别和信息提取方面具有重要作用，全自动方法和半自动方法是常用的处理方式，半自动方法通常更常见，结合了人工操作和计算机处理，能识别巷道结构平面并提取相关信息。在处理过程中，点云数据处理软件与平面图数码相机数据进行比较及关联，以增强数据可靠准确性。①通过选择具有最大结构表面积两个点作为平面基准点，识别结构面。②利用图像识别及分割算法，在指定模型区域内寻找与所选结构面具有相似斜率的其它结构面，并过滤掉无效光栅平面。通过重复这些步骤，提高数据提取准确可靠性。③使用PointStudio软件的统计分析功能校正结构面数据轨迹及长度，该软件能提供结构平面坐标、斜率、倾角、方向等信息，以及结构表面暴露面积，这些信息对巷道结构评估分析有一定价值。

4、进行三维激光扫描。在矿山采空区测量中，三维激光扫描的实施通常涉及激光扫描仪器的选择、扫描计划的设计、实地操作和数据处理等步骤。选择合适激光扫描仪器是关键步骤，现代激光扫描仪器通常具有高分辨率、长测距范围、快速扫描速度等特点，根据具体采空区特征及测量需求，选择适应性强、性能优越仪器，以确保获取的点云数据具有高精度和丰富信息。设计合理的扫描计划是三维激光扫描的关键。在规划中需考虑采空区大小、形状、地质结构、可能障碍物，确定扫描位置、方向、密度，以保证激光扫描能充分覆盖整个采空区，并获取到足够密集的点云数据。精心设计的扫描计划有助于最大程度提高测量效率及数据质量，再进行实地操作，将激光扫描仪器置于预定位置，启动扫描过程。激光扫描仪通过发射激光束并测量其返回时间获取目标表面三维坐标，这一过程通常包括水平、垂直方向的扫描，同时通过旋转或振动机构，激光束能覆盖整个采空区域，实现全方位测量。获取到的激光点云数据随后需进行后期处理及配准，在数据处理软件中，对不同扫描位置下的点云数据进行匹配及拼接，以生成整体三维模型。配准过程通常包括去噪、过滤、配准等，以确保点云数据准确性及一致性。最终经三维激光扫描技术获取到的点云数据可用于矿山采空区三维建模、地质结构分析、变形监测等方面，这些数据为矿山规划及设计提供了可靠基础，也为安全监测与资源管理等提供丰富信息支持。

5、点云数据的去噪和拼接。激光扫描仪的应用使点云数据成为获取三维环境信息重要手段，但在点云数据中常存在噪声点，其会对后续模型精度及可用性产生不利影响。为解决这一问题，技术人员常采取一系列方法来去除噪声点及无效数据，以提高数据准确性及可用性。软件去噪功能是一种常见方式，能自动识别和过滤掉点云数据中噪声点，这些功能基于各种算法，如滤波、聚类、插值等，有效减少噪声点数量。通过合理选择去噪参数及算法，去除大部分噪声，提高点云数据质量。然而，仅依靠软件去噪功能可能无法完全满足需求，因某些噪声点可能与有效数据相似，导致误判。因此，技术人员还需进行手动识别，通过人工判断及编辑方式去除噪声点和无效数据。手动识别能根据经验与专业知识识别并删除噪声点，确保数据准确。为获取更全面巷道数据，工作人员通常会进行多次扫描，通过在不同角度及位置的多次扫描，并将这些数据融合及拼接，能得到更全方位、更完整点云数据，这种全面性的数据对后续分析及建模具有重要意义，能提供更准确结果。

参考文献：

[1]陈凯.采空区三维激光扫描变形监测系统[J].矿冶，2016，21(01):60-63.