第３期 矿 山 测 量 Ｎｏ．３ ２０１３年６月 ＭＩＮＥ ＳＵＲＶＥＹＩＮＧ Ｊｕｎ．２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３５８Ｘ．２０１３．０３．２６ 三维激光扫描技术在矿山巷道变形监测中的应用 王黎明，刘夫晓，王新生 （山东金岭铁矿，山东淄博２５５０８１） 摘要：文中介绍了近年来被称为实景复制技术的三维激光扫描技术，三维激光扫描技术能够提供扫描 物体表面的三雏点云数据。因此，可用于获取高精度、高分辨率的数字地形模型。基于其独特的特点， 分析了将三维激光扫描技术用在巷道快速变形监测中的可能性，探讨了将该技术应用在山东金岭铁矿 召口矿巷道快速变形监测中的作业方法，并对可能出现的问题提出了一些初步的解决办法。 关键词：三维激光扫描技术；变形监测；巷道 中图分类号：Ｐ２２８．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３５８Ｘ（２０１３）０３—００７９—０３ Ｘｓ＝Ｓｃｏｓ０ｃｏｓａ，Ｙｓ＝Ｓｃｏｓ０ｓｉｎａ，Ｚｓ＝Ｓｓｉｎ０ １ 三维激光扫描技术 １．１ 三维激光扫描简介 。ｚｓ） 三维激光扫描仪是通过发射激光来扫描获取被 测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种 无接触式主动测量系统。三维激光扫描系统从操作 的空间位置可以划分为如下四类：机载型激光扫描 ｙ 系统、地面型激光扫描系统、手持型激光扫描仪…。 图１测量计算图例 １．２三维激光扫描仪工作原理 １．３ 系统组成 山东金岭铁矿数据采集采用的是地面型的三维 仪器包括硬件和软件两个部分：硬件包括三维 激光扫描仪。其工作原理为激光脉冲发射器周期地 激光扫描仪、电源和支架系统，软件为数据处理系 驱动一激光二极管发射激光脉冲，然后由接手透镜 统。 接受目标表面后向反射信号，产生一接收信号，利用 １．４设备性能参数 一稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，最 以Ｔｒｉｍｂｌｅ ＦＸ型号的扫描仪为例，其性能参数 后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中 为： 计算出采样点的空间距离；通过传动装置的扫描运 扫描距离最小为０．３ ｍ，最大为１４０ ｍ，扫描速 动，完成对物体的全方位扫描；然后进行数据整理， 度最大为８０００００ ｐｔｓ／ｓ，单点测量精度＜０．４ ｍｍ＠１１ 通过一系列处理获取目标表面的点云数据 。以点 ｍ，距离精度＜０．６ ｍｍ＠１１ ｍ，标靶获取精度＜１ ｍｍ 云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数 ＠１５ ｍ，角度误差为２５”（１．６ ｍｍ＠１１ ｍ；３ ｍｍ＠２１ 据。其获取扫描目标点云坐标原理为：根据内部精 ｍ）。 密的测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向 １．５ 系统工作流程 角度ｏｔ和垂直方向角度０；由脉冲激光发射到反射被 整个系统工作流程是：方案的拟定和选择—— 接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值Ｓ；从获 取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰 外业扫描数据获取——内业数据处理（点云预处理、 度的匹配。对于激光扫描仪而言采样的是系统局部 拼接、建模等）——成果输出。 坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般 、ｙ轴在局部 ２ 三维激光扫描仪在矿山巷道变形监测中的优点 坐标系的水平面上，ｙ轴常为扫描仪描方向，ｚ轴为 垂向方向，如图１所示。由此，可得扫描目标点Ｐ的 三维激光扫描技术对巷道进行整体的扫描，得 坐标（ ｓ、ｙｇ、Ｚｓ）的计算公式： 出扫描面的点云数据，通过对多次扫描点云的分析 对比，来找出变形体的变形，如图２。 ７９ 第３期 矿 山 测 量 ２０１３年６月 图２ 激光扫描仪用于巷道变形监测 与传统的巷道变形监测相比有如下优点： （１）三维激光扫描仪无需设置反射棱镜进行无 接触测量，传统方法一般是以接触测量为主，在人员 难以企及的危险地段三维激光扫描仪的使用占有明 显优势。 （２）与近景摄影测量等光学摄影测量为原理测 量有明显的优势。摄影测量获取的是影像照片，而 激光扫描获取的是三维点云数据，摄影测量对环境 光线、温度要求高，激光扫描仪对环境基本没有苛刻 的要求。 （３）传统的测量仪器使用基于“点”模式的目标 识别系统，而三维激光扫描仪是基于“形、象”模式的 目标识别系统。在传统的点模式下，要想测量巷道 的变形，必须在巷道上布设一定的点，通过测量点的 信息来反映巷道的变形；但是三维激光扫描系统并 不需要在巷道上布设点，其通过高密度的点云数据 来直接测定巷道的变形。三维激光扫描仪突破了单 点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的海 量点云数据，对目标描述细致、采样速率高，传统方 法难以实现 。 ３ 应用实例 实验采用Ｔｒｉｍｂｌｅ ＦＸ三维激光扫描测量仪对山 东金岭铁矿某主斜坡道进行三维激光扫描测量，并 建立了该巷道的三维模型。 ３．１ 扫描前的准备工作 首先对该巷道的环境进行踏勘，根据该巷道的 特点确定扫描仪架设的位置和测站数目，以及标志 球合适的安放位置。本次实验选择了一段１００ Ｉｌｌ左 右的直线巷道。由于井下环境较差，顶部墙壁及地 面凹凸不平，在一个测站中，标志球放在距离扫描仪 较近的位置，且在测站的两侧均有放置。 ３．２ 扫描过程 在选定的位置架设好扫描仪，做好扫描前的准 ８０ 备工作。针对不同的扫描目标或建模的精度要求， 合理地选择扫描的密度和各项参数。标志球是后期 数据配准的关键，需要进行高密度扫描，以满足配准 的精度要求。 ３．３三维建模 通过数据配准和数据滤波得到该巷道的外表面 信息，如下图３、图４所示。 图３巷道点云数据 图４巷道三维模型 不定期的对该斜坡道进行三维激光扫描，并比 对测站数据便可时刻掌握该斜坡道的变形情况。 ４结论与展望 在本文中，总结了以往的巷道变形监测技术，并 对这些技术进行了对比分析，提出各自在现代的巷 道快速变形监测中的不足之处。分析了将三维激光 扫描仪应用在巷道变形监测中的可能性。 随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，面 向２１世纪的我国测量技术的发展趋势和方向是：测 量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量 数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播 与应用的网络化、多样化、社会化。ＧＰＳ技术、ＲＳ技 术、ＧＩＳ技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪 器等将广泛应用于测量中，并发挥其主导作用。 在这种大的环境下，三维激光扫描仪必定也将 有巨大的发展： （１）三维激光扫描仪作为新兴的量测仪器，现在 的个体还是比较的大，小型化是其发展的一个方向。 （２）现在的三维扫描仪功能还比较单一，和其它 技术的集成是其一个发展方向。 （３）在地下巷道的变形监测中，当发现变形体的 变形过大后所采取的提醒方式，现在一般能够做到 的是在电脑上显示出来，并发出警报，但是在电脑屏 幕上的显示并不能够快速的在 （下转第９５页） 第３期 阎跃观等：工程应用类专业课实例解析教学法研究‘ ２０１３年６月 例如，某村庄煤柱包含５个开采工作面，如图１ 工程应用类专业课应该将工程实例和现场问题 所示，先跳采１号、３号和５号窄工作面，留设２号和 贯穿到整个教学活动中，让学生在掌握知识点的同 ４号宽条带煤柱，使地表处于非充分开采状态，地表 时学会书本知识解决现场实际问题的思维方式，从 形成浅下沉盆地，变形也较小，对村庄影响较小；再 而达到良好的教学效果。 对２号和４号工作面进行协采，使地表同步下沉，村 庄整体位于超充分开采的平底部分，抵消了地表动 参考文献： 态变形对村庄的影响。从而实现了对村庄影响最小 ［１］ 褚超美，陈家琪，张振东．工程类专业课教学改革探 的前提下，将资源全部回收的目标。 讨［Ｊ］．上海理工大学学报（社会科学版），２００４，２６ （３）归纳总结与思考阶段 （２）：４１—４３． ①归纳总结 ［２］ 冯潇，甘玲．用解析教学法改革程序设计类课程的教 通过上述讲解，学生可以深入掌握开采充分性 学［Ｊ］．计算机傲育，２００７，１２：１２０—１２２． 的相关知识和应用。可让部分学生对村庄下煤柱开 ［３］ 甘玲，刘达明，张璞，等．一种新的教学模式——解析 教学法［Ｊ］．计算机傲育，２００７，２：３９—４２． 采进行复述，教师最后进行归纳总结。也为后续知 ［４］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学［Ｍ］．徐 识点的埋下伏笔，如村庄下煤柱开采方案设计已经 州：中国矿业大学出版社．１９９１． 确定，但是跳采和全采工作面应该采多宽，留多宽， ［５］ 煤炭科学研究总院北京开采所．煤矿地表移动与覆岩 才能够保证实施效果，向学生说明开采尺寸的确定 破坏规律及其应用［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社， 是后续课程中的讲解内容。 １９８１． ・ ②进一步思考 ［６］ 戴华阳，王金庄，刘天新，等．村庄下深部压煤开采的 让学生进一步思考如何利用开采充分性村 技术途径探讨［Ｊ］．矿山测量，２００３，３：１５—１７． 庄煤柱，深入理解如何利用书本知识来指导实践切 ［７］ 李文昌，戴华阳，刘义新．梧桐庄矿密集村庄下深部 人点和思考方式，鼓励学生提出其他的解决思路。 压煤开采对策［Ｊ］．中国矿业，２００８，１７（８）：６９—７１． ［８］ 易四海，戴华阳，廉旭刚，等．顾及地表沉陷的矿区地 ４ 结 语 貌可视化实现方法［Ｊ］．湖南科技大学学报（自然科学 版），２００８，２３（４）：８１—８４． 实例解析教学法强调引导作用和学生的主体作 用，教师以现场遇到的实际问题为中心展开启发式 作者简介：阎跃观（１９８１一），男，山西省太原市人，讲师，工学 讲解。主要由３个阶段构成：问题提出与新知识点 博士，从事开采沉陷，变形监测等方面的研究和教学工作。 讲解阶段；实例解析启发式教学阶段；归纳总结与思 考阶段，每阶段都有学生的思考等多个环节。 （收稿日期：２０１３—０４—１５） （上接第８０页） 测绘工程，２００１（１）． 实际巷道顶上找到对应的地方。若能够采用激光将 ［２］ 李清泉，杨必胜．三维空间数据的实时获取建模与可视 激光斑在巷道顶上照射的方式，则能够有效的解决 化［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００３． 这一问题 。 ［３］ 徐进军，张民伟．地面３维激光扫描仪：现状与发展 （４）在软件的设计上，现在的三维激光扫描仪的 ［Ｊ］．测绘通报．２００７（１）． 软件只能够为获取点云数据提供方便，而接下来的 ［４］ 董秀军．三维激光扫描技术及其工程应用研究［Ｄ］．成 都：成都理工大学。２００７． 数据的处理及扫描数据的成图工作则是内业工作。 若要三维激光扫描技术能够在这种快速的变形中， 进行提示，必须设计软件使其能够在现场进行快速 作者简介：王黎明（１９８２一），男，２００４年毕业于山东理工大 的扫描并成图。 学，现为山东金岭铁矿地质工程部工程师，主要从事矿山测 量、控制测量工作。 参考文献： ［１］ 陈静，李清泉等．激光扫描测量系统的应用研究［Ｊ］ （收稿日期：２０１３—０３—１１） ９５
