三维激光扫描仪井下安全监测技术

1、第 63 卷 第 4期 有 色 金 属 ( 矿山部分 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 三维激光扫描仪井下安全监测技术 达 , 王利岗 (北京矿冶研究总院 , 北京 100070 摘 要 : 阐述三维激光扫描技术的原理及其在矿山井下安全监测中的应用情况, 介 绍国内外针对矿山安全监 测领域推出的三维激光扫描产品及其特点 , 分析并展望三维激光扫描仪在矿山安全监测领域的发展趋势 , 指出三 维激光扫 描技术是井下空区安全监

2、测的技术创新和重要手段 。 随着矿山信息化的快速发展 三维激光扫描仪必将 在矿山井下安全监测中发挥重要作用 。 关键词 :三维激光扫描 ; 井下安全监测 ; 空区监测系统 中图分类号 :TD76 文献标识码：A 文章编号 :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 基金项 目 :国家高技 术研 究发展计 划 (863计划 重点项目 (2008AA062101 。 作者简介 :张 达 (1980 , 男 , 博士 , 自动化专业 , 主要从事矿山行 业高新技术研发工作 。 引言 留矿法 、 空场法等矿山资源开采方法的使用使 我国的许多矿山形成大量的采 空区 ,

6、 如甘肃厂坝铅 锌矿 、 广东大宝山矿 、 广西大厂铅锌矿 、 黑龙江西林 铅锌 矿、 铜陵狮子山铜矿等 。 而且 , 长期以来许多民 营矿山私挖乱采形成的大量空区 群形态不一 、 错综 复杂 。另外 , 由于许多私营矿山的开采没有经过正 规设计或 设计资料不全 、 遗失等 , 无法确定这些采空 区的位置和具体边界 。 受地压及爆破 震动等影响 , 这些未经处理的采空区会导致矿山开采状态恶化 , 引起矿柱严重变形 相邻采场及巷道维护难度加大 , 发生大面积冒落及地表塌陷等 , 这些已经成为目前 影响矿山生产安全的重要危害源之一 1 。 因此 , 科 学地探明井下采空区的条件状态和空间形状 ,

7、为空 区安全治理和资源回采提供准确的设计依据 , 已成 为保障矿区人民生命财产安 全和矿山企业安全生产 的迫切需要 2 。 目前 , 对于采空区的探测 , 通常是首先查阅采矿 设计等相关资料并进行现场实 地调查 , 然后利用现 有的各种物探方法进行探测 , 最后以钻孔探测的方 法进行验 证。 这些方法不仅成本高 , 而且只能得到 钻孔处的点数据 。 近年来新兴的地球物 理探测方法 显示出较强的地质信息揭示能力 , 主要有探地雷达 法 3 、 高密度电法 3 4和三维激光扫描法 5 等 , 其 中三维激光扫描法具有探测精度高 、 探测速度快 、 对 周边环境影响小等一 系列优点 , 具有广阔的应

8、用空 间。 运用三维激光扫描这一新技术 , 可以精密测量 空区的空间性状和形态，通过实时数据分析，可以对井下空区变形等进行监测，为 低成本、快速、准确安全地监测地下空区提供了可能 1空区三维激光扫描仪原理 三维激光扫描仪是一种集成多种高新技术的新 China All rights reserved. Publishing House. 1994-2011 Academic Journal Electronic 型三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取被测 对象表面的阵列式几何图形的三维数据，其工作原理如图1所示 China All rights reserved. Pu

9、blishing House, httpwwwxnki.訂誓 t 1994-2011 Academic Journal Electronic 图1 三维激光扫描仪的测量原理 Fig. 1 The survey ing prin ciple of 3D laser sea nner 其核心技术为激光雷达技术 (Laser Detect and Ranger , Ladar，这是一种先进的主动传感方法，它采用激光作为传感的载体 通过发射受控制的激光 来照射被测目标， 然后接收被测目标的后向散射，根据激光的往返时间或者相位差来精确测定距 离信 12ct或s =入 4 n 其中:s为待测距离， c 为

10、光速 , t 为激光的往返 时间 , 而 为相位差 。 采用相位差法能够达到高的测量精度 , 但需要 好的反射光才 能够测量 , 一般需要专用的合作目标 (如激光跟踪仪采用专用靶球 , 在空区监测应 用中 难以使用 。 目前三维激光扫描仪主要采用 TOF 脉冲测距 法 (Time of Flight , 即计算激光的 往返时间 , 这是一 种高速激光测时测距技术 。 采用脉冲测距法的三维 激光点坐标 计算方法如下 : x =s cos 0 cos a y =s cos 0 sin a z =s sin 9 其中 , s为三维激光扫描仪通过脉冲测距法得 到的距离测量值，和0分别为由角度 编码器控

11、制 并同步测量的每个激光脉冲的轴向扫描角度测量值 和径向扫描角度测 量值 。 三维激光扫描测量一般使 用扫描仪内部的坐标系统 , 为三维立体坐标系 , 默认 仪器中心位置坐标为 (0, 0, 0 。 三维激光扫描测量仪在开始工作之前 , 会依据 图 2 采用脉冲测距法的三维点坐标 Fig2 The 3D coordinates of TOF method 补偿器自动设定初始位置 , 在已知仪器中心点坐标 (x 0、y 0、z 0和仪器初始化方位B仪器初始化后初始 方位与用户坐标系中 北方位夹角 的情况下 , 通过 平移 、 旋转 , 把观测点的坐标数据换算至用户坐标系 统 : 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 为用户坐标系中各测点的坐标 。 每次观测得到的空区大量 观测点的坐标数据以 及对应每个测点的激光反射率数据称之为点云数 据 。 利用网格技术将点云坐标连接成曲面 , 就形成 了观测空区的三维图像 。 当进行多期观测时 , 就可 以通过对多期图像的变化分析求得空区的变形 , 当 相邻两 期观测的空区图像发生局部或大范围变化 时 , 可以推断期间发生了岩壁垮落 。 2 井下空区三维激光扫描仪及其特点 2. 1 CMS 空区监测系统 2. 1. 1 系统介绍和组成 20世纪 90年代初 ,

13、空区监测系统 CMS (Cavity Monitoring System 由 加 拿大 Noranda 技术 中 心和 Optech 公司共同研发 , 目 前已经在全球各大矿山广 泛应用 , 并且已成为矿业发达国家地下采场和空区 监测 的重要手段，尤其是在人员无法进入的危险空 区中，利用CMS可以进行有效地测 量和监测。 CMS使用时，首先需将CMS放置在空区内的某 一固定位置，然后对空区进行 全方位扫描，采集空区 边界的三维点坐标（X , 丫 , Z并储存于CMS的内置存储单元中。经过数据转换后，可将坐标数据导 入 矿山专业软件（如SURPAC , DATAMINE , VULCAN 等 生

14、成采场或空区的三 维模型。CMS体型较小， 可通过直径20cm左右的钻孔将激光头伸入到危险 空区中进行探测，而操作人 员则可以通过手持终端设备在安全的位置进行遥控操作 。2. 1.2CMS原理及监测 过程 使用CMS对空区进行测试前一般需对空区周边现场进行安全检查，尤其是操 作人员需要进入的 场地，确保人员的安全。CMS仪器为模块化组件，安装相对比 较简单。安装时，首先将激光扫描头固 定在碳纤维材质的支架上，然后将它稳固 安装在空区的某一位置，该位置应尽量能扫描到空区的所有 角落（如图3所示 China All rights reserved- Publishing House. httpz/

15、Avwwxnki.nct 1994-2011 Academic Journal Electronic 图 3CMS 的操作方式 Fig3 The operating mode of CMS 扫描结束后 , 需要对 CMS 采集到的数据进行处 理 , 主要分 3个步骤 :1 采用 CMS 激光扫描获取空间点云数据 , 通过数据传输 线从控制箱接收扫描到的数据 , 控制箱将点云数据以无线方式发送至手持终端 , 然 后再将手持终端上的点云数据下载到后期数据处理计算机 中 ; 2 点云数据被保存成“ txt 格式”的文本文件 , 一个点数据包括一个距离值和两 个角度值,采用系统自带的软件CMS Pos

16、Process将文本文件转换为通用 格式文件 这样就可以通过 CAD 软件或矿山专业软件 (如 SURPAC 、 DATAMINE 等处理并使用 ; 3 通过采用 CMS 专用的数据处理软件 QVOL 处 理经过转换的点云数据 , 生成空区的三维图形 。通过 3D 网格获得任何方向上的任 意空区剖面 , 并自动计算空区体积和剖面面积 。 2. 2C-ALS 系统 2. 2. 1 系统介绍和组成 C-ALS (Cavity Auto Scanning Laser System最早 于 1996年进入市场 , 是世界上第一款能通过地面上 钻孔对地下空区进行扫描的装置 , 该仪器的性能已在很多条件恶

17、劣的地下测量 实践中得到了验证 , 并 广泛应用于全球各相关行业 。空区激光自动扫描系 统 (C-ALS 包括硬件和软件两大部分 。硬件部分包括探头、钻孔摄像头、 标准加长件、地面控制装置、 Boretrak 探杆、绞架、通信电缆以及搬运箱等 。 其中 Boretrak 探杆是为了在磁性区域配置使用 C-ALS 而专门设计的 , 因为在磁性 区域无法通过使用指南针来决定探头朝向,在这种场合下,Boretrak探杆将为C- ALS提供最精确和稳定的定位方式 。C-ALS系统组件见图4 China All rights reserved. Publishing House. http:/wwwxn

18、kfnct 1994-2011 Academic Journal Elwtronic 图4C-ALS系统组件 Fig. 4 The compositi ons of C-ALS 软件部分主要是与C-ALS系统配套的远程控 制软件C-ALS Control Software , 其操作界面如图5所示 China All rights reserved. Fublihing House. http:/ 1994-2011 Academic Journal Electronic o 图5C-ALS控制软件 Fig. 5 C-ALS con trol software 2. 2. 2C-ALS系统原理

19、及监测过程 C-ALS系统的工作原理是根据激光的射出角度和探测距离值进行定位，激光 从光源发射到某个目 标表面并反射回来，用高频数字电路测定其经历的 往返时间，并以此来计算光 源和目标之间的距离，并通过角度编码器等部件测定激光头转过的角度。空 区激光自动扫描系统（C-ALS依靠无线终端控制扫 描头采集数据，通过通信电 缆传输到控制软件中进行数据转换和处理，生成空区的三维模型，也可以将数据导 入 SURPAC、 VUL2CAN、DATAMINE等专业 矿山数据处理软件中,进行各种数值计算 并作为采 矿设计和稳定性分析的依据，其工作流程见图7 China All rights reserved.

20、Publishing House, httpy/wwxnki-nct JW4-201I Academic Journal Electronic 图7 三维激光扫描顺序 Fig. 7 The sea nning seque nee of C-ALS 3国内三维激光扫描技术的发展 目前国内在三维激光扫描测量技术尤其是硬件 技术方面的研究还相对落后，但也有了一些初步成果 7 。 早在 20世纪 90年代 , 中国科学院遥感应用 研究所的李树楷教授主持研究了国内第一台机载线 扫描原理样机 , 目前正在进一步改进和完善 。 武汉 大学李清泉教授在 2000 年 主持开发研制了地面激 光扫描系统 , 但没

21、有集成定向系统 , 目前主要用于堆 积测 量 。 目前 , 国内还没有成熟的三维激光扫描硬 件系统 , 而国外三维激光扫描测量 系统的价格依然 非常昂贵 。 国内针对矿山应用的三维激光扫描技术发展起 步较晚 , 目前还停留在以使用国 外相应产品为主的 应用层面上 , 具有自主知识产权的井下空区三维激 光扫描仪更 是难觅踪迹 。 2008年 , 为了满足国内矿 山行业日益增强的对三维激光扫描技术的 应用需 求 , 北京矿冶研究总院申请并成功实施了国家 863计划重点项目 千米深井地压与高温灾害监测技术 与装备 中的课题 深井空区大变形及岩壁垮落激 光扫描智能化监测技术与装备 , 针对井下空区变

22、形监控等矿山应用自主研发了具有我国自主知识产 权的井下空区变形监测三维激光扫描仪 , 该项目紧 密结合我国矿山企业对井下 空区变形精确监测和安 全状态获取这一重要需求 , 广泛调研国内外三维激 光扫 描技术发展现状 , 借鉴已有技术模式 , 创造性地提出 了变步距自适应空间分辨率扫描 、 扫描立方插值 , 补 洞及匹配等三维激光扫 描的关键技术 , 相对于国外 同类产品 , 该项目研发的井下空区三维激光扫描仪 具有 全自动操作 、 探测距离远 、 探测精度高 、 探测模 式丰富 、 产品成本低等特 点 。 目前该项目已经完成 了产品试制 , 井下空区现场测试也正在紧锣密鼓地 进行 , 已经取得了一定的成果 , 同时 , 产品也在进一 步进行改进和产品化定型 , 该系 统的成功研究将填 补国内空白 , 必将极大促进国内井下空区监测技术 的发展 , 同时 也会提高国内有关三维激光扫描测量 技术的研发水平 , 促进这一技术在其他相关领 域的 应用和发展 。 4 三维激光扫描技术在井下安全监测 中的发展趋势和展望 三维激光扫描仪的井下空区变形测量和安全监 测应用是三维激光扫描技术的 一种特定行业应用 , 其发展应与矿山