美國拓普康三維激光掃描儀GLS-2000礦山安全監(jiān)測應(yīng)用代理
 

一、礦山安全監(jiān)測
礦產(chǎn)資源在目前階段是世界上發(fā)展社會經(jīng)濟的重要的基礎(chǔ)資源，也是人民生活水平提升的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。礦產(chǎn)資源具有稀缺性和*的特點，因此也是人類寶貴的自然財富。礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中不可避免的會伴生各種礦山災(zāi)害，比如地表塌陷、邊坡滑坡、井下透水、瓦斯?jié)舛冗^高等。因此，在礦山安全生產(chǎn)過程中必須遵循“安全*、預(yù)防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)方針。而礦山安全監(jiān)測也日益受到國家和企業(yè)的重視。
礦山安全監(jiān)測的方法和手段很多，是一個復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)工程。礦山安全監(jiān)測涉及到不同種類的礦山如露天礦、地下礦、煤礦、金屬礦等，礦山安全監(jiān)測涉及到各種傳感器，包括位移、應(yīng)力、壓力、氣象、水文、氣體濃度、熱量等，涉及的儀器設(shè)備包括壓力計、張力計、測量機器人、GNSS接收機、溫度計、濃度計以及遙感衛(wèi)星、無人機等[2]。礦山安全監(jiān)測的方式也是綜合各種傳感器的信息加上趨勢分析進行判斷和預(yù)警。因此，在礦山安全監(jiān)測中，一個集成多源傳感器并能進行在線實時綜合分析的安全監(jiān)測平臺是礦山安全監(jiān)測中的重要技術(shù)支撐。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，礦山安全監(jiān)測平臺也逐步朝著智能三維可視化的方向發(fā)展。

二、三維激光掃描技術(shù)
三維激光掃描技術(shù)是一種利用激光測距原理進行快速、準(zhǔn)確的空間三維測量的新技術(shù)[3]。該技術(shù)與傳統(tǒng)手段相比，具有獲取數(shù)據(jù)速度快、獲取數(shù)據(jù)的精度高和獲取的數(shù)據(jù)信息量豐富等特點。除了傳統(tǒng)的空間坐標(biāo)信息，三維激光掃描技術(shù)還可以獲取目標(biāo)對象的紋理信息和反射率信息。因此該技術(shù)的出現(xiàn)也被稱為是測量技術(shù)從單點測量到面測量的一個飛躍[4]。此外，該技術(shù)在成果表現(xiàn)形式上，具有成果種類豐富的特點，因此該技術(shù)廣泛的受到了各個行業(yè)和領(lǐng)域的關(guān)注。目前在傳統(tǒng)測繪、文化遺產(chǎn)保護、工業(yè)設(shè)計、智慧城市、工廠設(shè)計、軍事分析等領(lǐng)域都有了一定的研究和應(yīng)用[5]。
三維激光掃描技術(shù)按照工作原理可分為脈沖式與相位式兩類。脈沖式以點脈沖激光按照飛行時計算距離；相位式以連續(xù)的相位激光波通過相位差實現(xiàn)測距。由于三維激光掃描采集的點云速度快、數(shù)據(jù)量很大，形成的目標(biāo)對象的表面密集的三維點集數(shù)據(jù)通常形象的被稱作點云[6]。

1. 三維激光掃描在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用
三維激光掃描技術(shù)作為一種高效、高精度、非接觸測量的數(shù)據(jù)獲取手段，非常適用于作業(yè)環(huán)境惡劣、人員安全保障需求高的礦山領(lǐng)域，因此在礦山領(lǐng)域的很多業(yè)務(wù)中已經(jīng)有了結(jié)合與應(yīng)用。例如，基于三維激光掃描技術(shù)，可開展礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用研究、數(shù)字礦山建設(shè)、礦山地形快速測量、礦山采空區(qū)測繪、礦山滑坡變形趨勢評價、井下安全監(jiān)測、礦山邊坡變形監(jiān)測、巖體節(jié)理信息提取、開采沉陷的應(yīng)用、露天礦山儲量測量、動態(tài)儲量監(jiān)測、礦山巷道變形監(jiān)測、尾礦庫穩(wěn)定性分析等[7]。

2. 三維激光掃描應(yīng)用于礦山安全監(jiān)測平臺
由于礦山安全監(jiān)測涉及到多源多類的傳感器，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和分析平臺進行各種數(shù)據(jù)的采集、組織、管理、分析和預(yù)警。礦山安全監(jiān)測對空間三維信息的需求也日益迫切,三維可視化的管理模式已經(jīng)成為礦山安全監(jiān)測平臺的發(fā)展趨勢。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于礦山安全監(jiān)測平臺，有兩個方面的應(yīng)用，一是本身作為數(shù)據(jù)來源之一可以進行諸如動態(tài)儲量監(jiān)測的分析，二是利用三維激光掃描技術(shù)獲取速度快、數(shù)據(jù)精度高的特點，構(gòu)建三維可視化礦山安全監(jiān)測平臺。

美國拓普康三維激光掃描儀GLS-2000
代理：深圳市鵬錦電子科技有限公司
 

三、案例研究
1. 研究區(qū)概況
本案例的研究對象是位于山西省太原市婁煩縣的尖山鐵礦，隸屬于太原鋼鐵（集團）公司。尖山鐵礦屬于大型礦山，也是太鋼重要的鐵礦生產(chǎn)基地。該礦興建于二十世紀九十年代，是國家“八五”重點建設(shè)工程項目，屬易采、易選的大型山坡露天礦，設(shè)計服務(wù)年限40年。
本次研究以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，獲取尖山露天礦約3.6平方公里現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)，并將礦區(qū)現(xiàn)有的測量機器人所觀測的棱鏡位置準(zhǔn)確的標(biāo)記在三維現(xiàn)狀模型中，并以此構(gòu)建三維可視化在線安全監(jiān)測平臺。
2. 數(shù)據(jù)采集

圖1 TOPCON GLS-2000現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本研究的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作采用了TOPCON GLS-2000 三維激光掃描系統(tǒng)。該設(shè)備掃描距離500米，視場角達到360°×270°，同時集成了兩個內(nèi)置500萬像素數(shù)碼相機，可同步獲取礦區(qū)的真彩色三維紋理。在激光安全性方面，GLS-2000在遠程模式時采用了人眼安全的3R級激光（中程模式為更安全的1級激光）。此外，TOPCON GLS-2000掃描儀的特點還包括：
1) 一體化設(shè)計；
2) 可全景掃描；
3) 內(nèi)置雙相機；
4) 可掃描棱鏡；
5) 具有二次回波；
6) 內(nèi)置兩種激光工作模式；
7) 自動量測儀器高；
8) 支持多種點云拼接方式；
9) 可后視定向；
10) 內(nèi)置5種掃描模式。
3. 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理的流程包括了數(shù)據(jù)預(yù)處理和三維建模兩個階段。預(yù)處理階段，原始掃描的點云經(jīng)過去噪、拼接之后，形成礦區(qū)完整的統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)。拼接時無需繁瑣的拼接流程，使用TOPCON GLS-2000自帶的后視定向功能，可進行一鍵式自動拼接。
三維建模階段，利用后處理軟件Point Cab進行表面封裝并完成紋理映射。紋理映射所采用的照片采用掃描儀自帶的內(nèi)置相機獲取的真彩色照片。經(jīng)過上述處理后形成礦區(qū)現(xiàn)狀的真彩色三維立體表面模型，經(jīng)過現(xiàn)場檢驗整體模型精度達到3cm。以此三維立體表面模型為基礎(chǔ)，將礦區(qū)范圍內(nèi)的測量機器人的監(jiān)測棱鏡按照真實地理坐標(biāo)放置并以模型體現(xiàn)，從而形成整個礦區(qū)的150個監(jiān)測棱鏡在三維空間中的立體表達。

礦區(qū)現(xiàn)狀DEM

礦區(qū)現(xiàn)狀三維真彩色表面模型

礦區(qū)安全監(jiān)測平臺局部

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四、總結(jié)
目前數(shù)字礦山、智慧礦山的建設(shè)方興未艾，其中很重要的一個建設(shè)內(nèi)容就是礦山的安全監(jiān)測。隨著監(jiān)測手段的多樣和監(jiān)測傳感器的豐富，構(gòu)建基于多源傳感器的統(tǒng)一礦山安全監(jiān)測平臺是安全監(jiān)測的重要課題，而平臺的三維可視化已經(jīng)成為趨勢。
三維激光掃描技術(shù)具有獲取速度快、數(shù)據(jù)成果精度高、作業(yè)方式安全性高等特點，在礦山領(lǐng)域的過往研究表明，三維激光掃描技術(shù)在礦山領(lǐng)域有廣泛的適用性。本文為三維激光掃描技術(shù)在礦山安全監(jiān)測平臺中的的應(yīng)用做了初步的實證研究。
4. 成果
利用WebGL技術(shù)構(gòu)建跨平臺的在線三維礦山安全監(jiān)測平臺，將上述三維模型作為平臺展示的基礎(chǔ)，將傳感器模型在三維空間中立體展現(xiàn)，并通過頁面定制，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時接入、顯示和分析。同時頁面定制保留了豐富的可擴展性，可方便今后在此基礎(chǔ)上接入其他傳感器以進一步實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的綜合分析。
基于三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建的在線礦山安全監(jiān)測平臺，實現(xiàn)的主要功能包括：整個礦區(qū)的實時瀏覽三維場景、可疊加矢量數(shù)據(jù)進行三維可視化表現(xiàn)、屬性數(shù)據(jù)支持和屬性數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)條件定位查詢（根據(jù)查詢條件，自動定位目標(biāo)查詢物）、實時的傳感器數(shù)據(jù)顯示、綜合分析、超限預(yù)警等。該平臺可整合礦山基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，推進數(shù)字礦山和智慧礦山建設(shè)，實現(xiàn)決策管理數(shù)字化、可視化，可提高礦山安全和處置突發(fā)事件的能力。