基于SLAM的連通疊層復(fù)雜空區(qū)三維精準(zhǔn)建模

吳飛 ，胡靜云

(1.江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 江西 九江市 423000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

很多礦山由于多年的開(kāi)采，形成了規(guī)模不等的采空區(qū)，根據(jù)礦體賦存產(chǎn)狀與采用的采礦方法的不同，這些礦山的采空區(qū)的具體形態(tài)、是否連通、規(guī)模與復(fù)雜程度各不相同。對(duì)于井下單個(gè)獨(dú)立采空區(qū)，可以采用鉆孔式或固定式三維激光掃描儀測(cè)量其空區(qū)輪廓，但是對(duì)于連通的采空區(qū)與孤立分布的點(diǎn)柱，采用固定式三維激光掃描儀相當(dāng)不便，存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。

移動(dòng)式三維激光掃描（SLAM）技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一項(xiàng)高科技測(cè)量技術(shù)，在城市地下管廊、室內(nèi)三維場(chǎng)景建模等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但是在礦山井下采空區(qū)測(cè)量的應(yīng)用案例非常少見(jiàn)。陳萍[1]、曾俊飛[2]將 SLAM 算法與傳統(tǒng)的靜站式三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，提出一套移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)，通過(guò) SLAM 算法為三維激光掃描儀提供移動(dòng)掃描過(guò)程中的位置信息，進(jìn)而得到三維激光點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，完成室內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集。夏金周[3]參考地面靜站式三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程，探索移動(dòng)式三維激光掃描數(shù)據(jù)采集模式，設(shè)計(jì)了一種全站儀激光掃描儀兩用棱鏡標(biāo)靶組合裝置，用以減少數(shù)據(jù)采集誤差。本文提出的測(cè)繪系統(tǒng)在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中得到測(cè)試與驗(yàn)證，室內(nèi)場(chǎng)景的長(zhǎng)寬高誤差維持在 3 cm之內(nèi)，室內(nèi)平面的平整度和垂直度維持在8 mm之內(nèi)。張麗等[4]提出了一種基于新型移動(dòng)式三維激光測(cè)量技術(shù)的隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方案，利用移動(dòng)激光掃描獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別提取隧道頂部的環(huán)片拼接縫，以此為基礎(chǔ)結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取各環(huán)片斷面信息，對(duì)環(huán)片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后利用綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)各類(lèi)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行管理分析，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變化的科學(xué)管理。陸培慶等[5]針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)主要采用傳統(tǒng)的全站儀等設(shè)備進(jìn)行人工測(cè)量，將移動(dòng)式三維激光技術(shù)引入地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)，采用推行式掃描方法快速獲取隧道完整結(jié)構(gòu)信息，利用自動(dòng)化后處理軟件全面監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形信息，該方法在滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)精度要求的情況下，可快速、全面、可靠地獲得地鐵隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。檀繼猛等[6]針對(duì)傳統(tǒng)地下管廊測(cè)量方法中存在的作業(yè)效率低、精度差等問(wèn)題，試驗(yàn)了一種基于移動(dòng)手持掃描技術(shù)的地下管廊測(cè)量新方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)式三維激光掃描儀在地下管廊測(cè)量中可以明顯提高作業(yè)效率，且滿(mǎn)足測(cè)量精度要求，具有較好的應(yīng)用前景。

對(duì)礦山的采空區(qū)與礦柱，特別是形態(tài)復(fù)雜的空區(qū)與孤立分布的點(diǎn)柱，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)建模，是礦山高效安全開(kāi)采的需要，也是礦山數(shù)字化自動(dòng)化智能化發(fā)展的趨勢(shì)，開(kāi)展這一方面的深入研究與應(yīng)用工作意義重大。

1 礦山空區(qū)概況

香爐山鎢礦礦體埋深40～300 m，礦體賦存于山坡中上部，礦體似層狀，緩傾斜，礦體厚 2.6～45.6 m，礦體形態(tài)較簡(jiǎn)單、礦巖界限清晰。直接頂板為灰?guī)r，局部有炭質(zhì)泥巖，礦體為角巖，底板為花崗巖，礦巖均堅(jiān)硬致密完整。礦床水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，開(kāi)采工程技術(shù)條件非常好[7]。礦山一直沿用淺孔留礦全面法進(jìn)行開(kāi)采，鑿巖、爆破、鏟裝、運(yùn)輸與行人均在空區(qū)頂板下進(jìn)行，年生產(chǎn)規(guī)模40萬(wàn)t～60萬(wàn)t，留設(shè)的孤立點(diǎn)柱直徑為5.5～8 m，頂板跨度為10～35 m，采空區(qū)高度為10～46 m。截止到2017年底，共采出礦石約1100萬(wàn)t，歷年來(lái)形成的采空區(qū)總體積約為368萬(wàn)m3，采空區(qū)的總暴露面積約33萬(wàn)m2，單個(gè)最大暴露面積約300 m2，礦柱總數(shù)量約450個(gè)。形成的特大復(fù)雜采空區(qū)內(nèi)礦柱形態(tài)復(fù)雜、高度高、空區(qū)連通、跨度大，且部分空區(qū)上下重疊[8]。井下典型采空區(qū)見(jiàn)圖1。

圖1 井下典型空區(qū)

礦山需要進(jìn)行空區(qū)與點(diǎn)柱形態(tài)精準(zhǔn)掃描的原因與目的有以下幾點(diǎn)。

（1）受歷史不規(guī)范開(kāi)采的影響，留設(shè)的點(diǎn)柱形狀極不規(guī)則，既不是方形也不是圓形，沿點(diǎn)柱縱向不同高度的截面形狀變化非常大，點(diǎn)柱的寬度或直徑變化大，點(diǎn)柱各截面的形心軸線(xiàn)不是垂直的，傾角在60°～90°之間，總的來(lái)說(shuō)所留設(shè)的點(diǎn)柱形態(tài)異常不規(guī)則。

（2）單個(gè)點(diǎn)柱的礦石價(jià)值大，按鎢金屬品位0.6%來(lái)計(jì)算，一個(gè)高為25 m、平均直徑為5 m的點(diǎn)柱，在鎢精礦（含W2O3為65%）9萬(wàn)元/t的市場(chǎng)行情下，其價(jià)值為3000萬(wàn)元左右。

（3）受歷史開(kāi)采的限制，前期采用留不規(guī)則點(diǎn)柱的全面法開(kāi)采，目前正在采用全尾砂膠結(jié)充填進(jìn)行大規(guī)模的空區(qū)治理，400多個(gè)點(diǎn)柱逐漸被充填體所“淹沒(méi)”，今后大量的點(diǎn)柱殘采的開(kāi)采技術(shù)條件會(huì)十分復(fù)雜。

（4）在充填體內(nèi)回采點(diǎn)柱時(shí)，必須有點(diǎn)柱與空區(qū)頂?shù)装寰珳?zhǔn)的輪廓坐標(biāo)，才能準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)采準(zhǔn)巷道工程與炮孔，如果沒(méi)有準(zhǔn)確了解點(diǎn)柱的輪廓位置，布置炮孔時(shí)誤差幾十厘米也會(huì)造成損失與貧化的大量增加，采準(zhǔn)巷道工程布置的誤差在幾十厘米范圍內(nèi)也會(huì)相應(yīng)增加開(kāi)采成本。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)點(diǎn)柱輪廓與采空區(qū)頂?shù)装宓妮喞淖鴺?biāo)應(yīng)盡可能精準(zhǔn)測(cè)定，根據(jù)采礦的需要，依托礦山井下現(xiàn)有測(cè)量控制點(diǎn)，測(cè)量精度應(yīng)小于20 cm。

2 移動(dòng)激光三維掃描（SLAM）技術(shù)[1-2]

由于傳統(tǒng)激光掃描技術(shù)的局限性，每次掃描時(shí)需要已知掃描設(shè)備的空間坐標(biāo)值，靈活性較差，礦山迫切需要可移動(dòng)的三維激光掃描儀，提升設(shè)備的機(jī)動(dòng)性，從而提高工作效率。在露天礦山，可以利用GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與GNSS慣導(dǎo)技術(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，設(shè)備安裝在車(chē)輛與飛行器等各種載具上，動(dòng)態(tài)獲取測(cè)量設(shè)備定位信息以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的效果。在井下無(wú)法使用諸如GPS、北斗導(dǎo)航的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取測(cè)量設(shè)備在井下的空間位置信息，進(jìn)而不能達(dá)到移動(dòng)三維掃描的目的。這種困境直到一種新的空間定位算法 SLAM 技術(shù)的出現(xiàn)，才逐步得到改善。

SLAM技術(shù)最初由R.C.Smith和P.Cheeseman在1986年針對(duì)空間不確定性的估測(cè)研究而提出的，主要解決從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)重復(fù)觀測(cè)空間特征以定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的。

如圖2所示，SLAM移動(dòng)掃描技術(shù)主要處理步驟有4步，分別為：

圖2 SLAM移動(dòng)掃描技術(shù)原理與步驟

（1）用探頭對(duì)三維空間進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（2）探頭移動(dòng)后，復(fù)測(cè)之前的三維空間，并獲取位移后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（3）系統(tǒng)反算探頭運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)軌跡信息還原移動(dòng)的三維空間；

（4）通過(guò)空間信息反算匹配，獲取真實(shí)三維空間的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

SLAM 技術(shù)解決了移動(dòng)過(guò)程中掃描儀空間位置、掃描儀運(yùn)動(dòng)軌跡、待測(cè)空間環(huán)境三者之間的同步定位問(wèn)題，從而使井下快速移動(dòng)測(cè)量成為可能。該技術(shù)無(wú)需GPS和GNSS等硬件模塊，使得基于SLAM技術(shù)的掃描儀體積小、重量輕，便于人工攜帶，大幅度降低了移動(dòng)激光掃描儀的成本；避免了由于激光通視原因?qū)е碌倪h(yuǎn)距離測(cè)量點(diǎn)云離散、空間遮擋等傳統(tǒng)測(cè)量的弊端，有效提升了復(fù)雜空間測(cè)量的效率與碎部輪廓的測(cè)量精度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及其三維精準(zhǔn)建模結(jié)果

本次應(yīng)用選擇在香爐山鎢礦14#～16#勘探線(xiàn)之間的老W6與老W8采場(chǎng)，這一片采場(chǎng)歷史上采用留不規(guī)則的孤立點(diǎn)柱的全面采礦法進(jìn)行開(kāi)采，鑿巖、爆破、鏟裝、運(yùn)輸與行人均在空區(qū)頂板下進(jìn)行，由于多個(gè)采礦權(quán)人在這一區(qū)域內(nèi)無(wú)規(guī)劃地回采，形成了三層采空區(qū)，采空區(qū)之間相互連通，是礦山空區(qū)形態(tài)最為復(fù)雜、最具有代表性的區(qū)域。

進(jìn)行空區(qū)與礦柱三維激光掃描精準(zhǔn)測(cè)量建模的區(qū)域長(zhǎng)約200 m、寬約250 m，空區(qū)高度10～30 m。所采用的移動(dòng)手持式三維激光掃描儀及其技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 移動(dòng)手持式三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

確定現(xiàn)場(chǎng)掃描區(qū)域后，按如下步驟實(shí)施掃描測(cè)量工作。

（1）確定掃描行走路線(xiàn)。對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，從整體上了解空區(qū)的特征、采空區(qū)的分布與點(diǎn)柱的分布，合理規(guī)劃掃描行走路線(xiàn)，在行走路線(xiàn)最短的條件下，能夠掃描到所有的空區(qū)與點(diǎn)柱。

（2）選擇測(cè)量控制點(diǎn)。為了將測(cè)量結(jié)果在礦山坐標(biāo)參考系下進(jìn)行顯示表達(dá)，需要確定兩個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)，根據(jù)SLAM技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)在掃描區(qū)域內(nèi)的布局、測(cè)量控制點(diǎn)之間的距離沒(méi)有特別嚴(yán)格的要求，但應(yīng)盡量均勻落在整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)。測(cè)量控制點(diǎn)確定后，在測(cè)量控制點(diǎn)位置上放置專(zhuān)用的圓形靶球。在掃描測(cè)量空區(qū)前，先掃描圓形靶球，作為測(cè)量起算點(diǎn)與控制點(diǎn)。

（3）單次測(cè)量行走路線(xiàn)直線(xiàn)長(zhǎng)度不要大于100 m。為了控制測(cè)量誤差的累積與傳播，單次行走路線(xiàn)的直線(xiàn)長(zhǎng)度不要超過(guò)100 m，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件解算與拼接多次掃描結(jié)果，可以形成整個(gè)空區(qū)的掃描結(jié)果。

對(duì)本次掃描區(qū)域共進(jìn)行了4個(gè)單次掃描，采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行處理后，得到的采空區(qū)與點(diǎn)柱的三維建模結(jié)果分別見(jiàn)圖3～圖5。圖3是多層采空區(qū)的三維立體圖，掃描結(jié)果顯示了2層采空區(qū)，最下一層采空區(qū)已經(jīng)被膠結(jié)充填。圖4是截取第二層空區(qū)后得到的平面圖，圖中陰影部分為不規(guī)則點(diǎn)柱。圖5是沿任一方向截取的橫剖面圖。

圖3 連通疊層復(fù)雜空區(qū)三維立體圖

圖4 第二層空區(qū)平剖面

圖5 A-A剖面

本次掃描區(qū)域的面積約3萬(wàn)m2，空區(qū)總體積約35萬(wàn)m3，不規(guī)則點(diǎn)柱26個(gè)，井下作業(yè)總時(shí)間約為4 h，工作人員的工作強(qiáng)度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

掃描測(cè)量結(jié)果的測(cè)量精度在5～10 cm之間，遠(yuǎn)小于工程所需的精度20 cm，顯示出了SLAM技術(shù)在井下不規(guī)則連通復(fù)雜空區(qū)掃描中的巨大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)井下連通復(fù)雜不規(guī)則采空區(qū)，應(yīng)用SLAM技術(shù)獲得了空區(qū)與點(diǎn)柱的輪廓與位置信息，可滿(mǎn)足采準(zhǔn)切割工程與炮孔布置的精度需求，SLAM技術(shù)的測(cè)量精度能達(dá)到5～10 cm。

（2）本次掃描區(qū)域的面積約3萬(wàn)m2，空區(qū)總體積約35萬(wàn)m3，不規(guī)則點(diǎn)柱26個(gè)，井下作業(yè)總時(shí)間約為4 h，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度低，掃描效率高，工作效率是靜站式三維激光掃描儀的20倍以上。

（3）SLAM 技術(shù)能為數(shù)字化礦山的建設(shè)起到十分重要作用，可為礦山礦柱資源的安全高效利用提供必需的基礎(chǔ)資料。