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/jissn1671-4172. 2011. 04. 001三維激光掃描儀井下安全監測技術張達 , 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測中的應用情況 , 介紹國內外針對礦山安全監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測領域的發展趨勢 , 指出三 維激光掃描技術是井下空區安全監測的技術創新和重要手段 。 隨著

2、礦山信息化的快速發展 , 三維激光掃描儀必將 在礦山井下安全監測中發揮重要作用 。關鍵詞 :三維激光掃描 ; 井下安全監測 ; 空區監測系統 中圖分類號 :TD76文獻標識碼 :文章編號 :1671-4172(2011 04-0001-04Underground safety monitoring technology based on 3D laser scannerZHANG Da , WANG Ligang(Beijing General Research Institute of Mining Metallurgy , Beijing 100070, China Abstract :I

3、n 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 scanning system in min

4、e safety monitoring field is analyzedIt is pointed out that the 3D laser scanning technology belongs to technological innovation and important mean in safety monitoring of un-derground cavityWith the rapid development of mining informatization , the 3D laser scanner will play an important role in th

5、e safety monitoring of underground minesKey words :3D laser scanning ; underground safety monitoring ; cavity monitoring system基金項 目 :國 家 高 技 術 研 究 發 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 , 主要從事礦山行業高新技術研發工作 。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 , 如甘肅廠壩鉛 鋅礦 、 廣東大寶山礦

6、 、 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群形態不一 、 錯綜 復雜 。 另外 , 由于許多私營礦山的開采沒有經過正 規設計或設計資料不全 、 遺失等 , 無法確定這些采空 區的位置和具體邊界 。 受地壓及爆破震動等影響 , 這些未經處理的采空區會導致礦山開采狀態惡化 , 引起礦柱嚴重變形 , 相鄰采場及巷道維護難度加大 , 發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的條件狀態和空間形狀 , 為空區安全治理和資源回采提供準確的設計依據

7、, 已成 為保障礦區人民生命財產安全和礦山企業安全生產 的迫切需要2。目前 , 對于采空區的探測 , 通常是首先查閱采礦 設計等相關資料并進行現場實地調查 , 然后利用現 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 鉆孔處的點數據 。 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 34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 周邊環境影響小等一系列優點 , 具有廣闊的應用空 間 。 運用三維激光掃描這一新技術 , 可以精密測量 空區的空間性

8、狀和形態 , 通過實時數據分析 , 可以對 井下空區變形等進行監測 , 為低成本 、 快速 、 準確安 全地監測地下空區提供了可能 。1空區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 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 圖形的三維數據 , 其工作原理如圖 1所示。 圖 1三維激光掃描儀的測量原理Fig1The surveying principle of 3D laser scanner其核心技術為激光雷達技術 (Laser Detect andRanger , Ladar , 這是一種先進的主動傳感方法 , 它

9、采用激光作為傳感的載體 , 通過發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 據激光的往返時間或者相位差來精確測定距離信息 ,即 :s =12ct 或 s =4其中 :s 為待測距離 ,c 為光速 , 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 , 在空區監測應用中 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

10、光點坐標計算方法如下 :x =s cos cos y =s cos sin z =s sin 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 分別為由角度編碼器控制 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 , 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 ,會依據圖 2采用脈沖測距法的三維點坐標 Fig2The 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

11、0 和儀器初始化方位 (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 , 把觀測點的坐標數據換算至用戶坐標系 統 :X n =x 0+x cos Y n =y 0+y sin 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大量觀測點的坐標數據以 及對應每個測點的激光反射率數據稱之為點云數據 。 利用網格技術將點云坐標連接成曲面 , 就形成 了觀測空區的三維圖像 。 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的變形 , 當 相鄰兩期觀測的空區圖像發生局部或大范圍變化時 ,可以推斷期

12、間發生了巖壁垮落 。 2井下空區三維激光掃描儀及其特點2. 1CMS 空區監測系統2. 1. 1系統介紹和組成 20世紀 90年代初 , 空區監測系統 CMS (CavityMonitoring System 由 加 拿 大 Noranda 技 術 中 心 和 Optech 公司共同研發 , 目前已經在全球各大礦山廣 泛應用 , 并且已成為礦業發達國家地下采場和空區 監測的重要手段 , 尤其是在人員無法進入的危險空 區中 , 利用 CMS 可以進行有效地測量和監測 。CMS 使用時 , 首先需將 CMS 放置在空區內的某 一固定位置 , 然后對空區進行全方位掃描 , 采集空區邊界的三維點坐標

13、(X ,Y , Z 并儲存于 CMS 的內置 存儲單元中 。 經過數據轉換后 , 可將坐標數據導入礦山專業軟件 (如 SURPAC , DATAMINE , VULCAN 等 生成采場或空區的三維模型 。 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 原理及監測過程使用 CMS 對空區進行測試前一般需對空區周 邊現場進行安全檢查 , 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

14、描頭固 定在碳纖維材質的支架上 , 然后將它穩固安裝在空 區的某一位置 , 該位置應盡量能掃描到空區的所有 角落 (如圖 3所示 。圖 3CMS 的操作方式 Fig3The operating mode of CMS掃描結束后 , 需要對 CMS 采集到的數據進行處理 , 主要分 3個步驟 :1 采用 CMS 激光掃描獲取空間點云數據 , 通過 數據傳輸線從控制箱接收掃描到的數據 , 控制箱將 點云數據以無線方式發送至手持終端 , 然后再將手 持終端上的點云數據下載到后期數據處理計算機 中 ;2 點云數據被保存成 “ txt ” 格式的文本文件 , 一 個點數據包括一個距離值和兩個角度值 ,

15、采用系統 自帶的軟件 CMS PosProcess 將文本文件轉換為通用 格式文件 , 這樣就可以通過 CAD 軟件或礦山專業軟 件 (如 SURPAC 、DATAMINE 等 處理并使用 ; 3 通過采用 CMS 專用的數據處理軟件 QVOL 處理經過轉換的點云數據 , 生成空區的三維圖形 。 通過 3D 網格獲得任何方向上的任意空區剖面 , 并 自動計算空區體積和剖面面積 。 2. 2C-ALS 系統 2. 2. 1系統介紹和組成 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進行掃

16、描的裝置 , 該儀器的性能已 在很多條件惡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 。 空區激光自動掃描系統 (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域配置使用 C-ALS 而 專門設計的 , 因為在磁性區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 提供最精確和穩定的定位方式 6。 C-ALS 系 統組件見圖 4 。圖 4C-ALS 系統組

17、件Fig4The compositions of C-ALS軟件部分主要是與 C-ALS 系統配套的遠程控 制軟件 C-ALS Control Software , 其操作界面如圖 5所 示 。圖 5C-ALS 控制軟件Fig5C-ALS control software2. 2. 2C-ALS 系統原理及監測過程C-ALS 系統的工作原理是根據激光的射出角度 和探測距離值進行定位 , 激光從光源發射到某個目標表面并反射回來 , 用高頻數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 。 空區激光自動掃描系統 (C-ALS

18、依靠無線終端控制掃 描頭采集數據 , 通過通信電纜傳輸到控制軟件中進 行數據轉換和處理 , 生成空區的三維模型 , 也可以將 數據導入 SURPAC 、VUL2CAN 、 DATAMINE 等專業 礦山數據處理軟件中 , 進行各種數值計算 , 并作為采礦設計和穩定性分析的依據 , 其工作流程見圖 7 。圖 7三維激光掃描順序Fig7The scanning sequence of C-ALS3國內三維激光掃描技術的發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

19、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年主持開發研制了地面激 光掃描系統 , 但沒有集成定向系統 , 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 , 而國外三維激光掃描測量系統的價格依然 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

20、米深井地壓與高溫災害監測技術 與裝備 中的課題 深井空區大變形及巖壁垮落激 光掃描智能化監測技術與裝備 , 針對井下空區變 形監控等礦山應用自主研發了具有我國自主知識產權的井下空區變形監測三維激光掃描儀 , 該項目緊 密結合我國礦山企業對井下空區變形精確監測和安 全狀態獲取這一重要需求 , 廣泛調研國內外三維激 光掃描技術發展現狀 , 借鑒已有技術模式 , 創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 , 該項目研發的井下空區三維激光掃描儀 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 , 井下空區現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 , 該系統的成功研究將填 補國內空白 , 必將極大促進國內井下空區監測技術 的發展 , 同時也會提高國內有關三維激光掃描測量 技術的研發水平 , 促進這一技術在其他相關領域的 應用和發展 。4三維激光掃描技術在井下安全監測 中的發展趨勢和展望三維激光掃描儀的井下空區變形測量和安全監 測應用是三維激光掃描技術的一種特定行業應用 , 其發展應與礦山行業的特點緊密結合 , 小型化 、 便攜式 、遠距離 、 高精度 、 堅固