CN109375281A - 基于三维激光扫描的采空区勘察方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于三维激光扫描的采空区勘察方法，包括以下步骤：根据测区实际情况，结合绝对坐标控制点，规划行走路径，避免重复扫描；对巷道进行扫描，获得高质量点云数据；使用GeoSLAM ZEB‑REVO RT手持式SLAM移动激光扫描系统进行井巷扫描，普通安卓设备，苹果设备，WIN设备均可连接ZEB REVO所发射的WIFI，并控制，最终得到数据；通过向前移动的方式采集采空区的数据，设备的正前方会形成360°的球形扫描区域，从而完整的获取采空区的数据；对上述的采空区数据进行处理，本发明是一种全新的测量技术，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。

Description

基于三维激光扫描的采空区勘察方法

技术领域

本发明涉及地下开采领域，特别涉及基于三维激光扫描的采空区勘察方 法。

背景技术

采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，采 空区的存在使得矿山的安全生产面临很大的安全问题，人员与机械设备都可 能掉入采空区内部受到伤害。

地下开采所形成大量采空区安全隐患，普通测量方法已不能满足矿山对 采空区管理和隐患治理的需求。随着矿山向深部开采，地压增大，地下空区 在强大的地压下，容易发生坍塌事故，尤其对地下转露天开采的矿山影响很 大；地下开采残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对露天开采 带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁；精确的勘 察采空区的空间位置，形态，变形观测，体积等三维立体的数据，科学科管 理地下采空区，有效的提高安全生产。

由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒 落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形 态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行 采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。

传统的测绘勘察手段进行单点式与抽检式的测量，很容易丢失关键性的 数据信息，新型的勘察技术手段将解决这些关键性的技术难题，为采空区的 安全生产，安全性评价的可靠性，以及治理方案的合理性提供科学的依据。

发明内容

为了解决上述不足的缺陷，本发明提供了基于三维激光扫描的采空区勘 察方法，本发明是一种全新的测量技术，它突破了传统的单点测量方法，具 有高效率、高精度的独特优势，三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的 三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。

本发明提供了基于三维激光扫描的采空区勘察方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据测区实际情况，结合绝对坐标控制点，规划行走路径， 避免重复扫描；对巷道进行扫描，获得高质量点云数据；

步骤(2)：使用GeoSLAM ZEB-REVO RT手持式SLAM移动激光扫描 系统进行井巷扫描，普通安卓设备，苹果设备，WIN设备均可连接ZEB REVO 所发射的WIFI，并控制，最终得到数据；

步骤(3)：通过向前移动的方式采集采空区的数据，设备的正前方会形 成360°的球形扫描区域，从而完整的获取采空区的数据；

步骤(4)：对上述的采空区数据进行处理。

上述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其中，所述步骤(4)中具 体包括：

步骤(4.1)：二三维联动查看点云数据，并显示移动轨迹；

步骤(4.2)：采空区三维量测分析；

步骤(4.3)：不同时间段的数据自动拼接；

步骤(4.4)：采空区绝对坐标转换；

步骤(4.5)：采空区模型自动建模。

上述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其中，还包括采空区数据 应用，具体为采空区体积计算可用于生产验收，采空区回填，数据可直接导 入矿山专用软件，用于计算采空区体积。

上述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其中，还包括采空区安全 监测和评价，具体为可通过多期的采空区数据进行对比，分析采空区的形变， 可定位危岩体的位置，体积，可协助矿山安全、地质、生产等部门作出判断， 进行安全的处置有效避免地质灾害的发生。

上述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其中，还包括采矿设计与 运维管理，用于依靠激光扫描获取的真实的三维采空区数据。

本发明具有以下有益效果：1、本发明是一种全新的测量技术，它突破了 传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，三维激光扫描技术 能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率 的数字模型。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其 特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部 分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的基于三维激光扫描的采空区勘察方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的 理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个 或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆， 对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结 构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而 除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1所示，本发明提供了基于三维激光扫描的采空区勘察方法，包 括以下步骤：

步骤(1)：根据测区实际情况，结合绝对坐标控制点，规划行走路径， 避免重复扫描；对巷道进行扫描，获得高质量点云数据；

步骤(2)：使用GeoSLAM ZEB-REVO RT手持式SLAM移动激光扫描 系统进行井巷扫描，普通安卓设备，苹果设备，WIN设备均可连接ZEB REVO 所发射的WIFI，并控制，最终得到数据；

步骤(3)：通过向前移动的方式采集采空区的数据，设备的正前方会形 成360°的球形扫描区域，从而完整的获取采空区的数据；

步骤(4)：对上述的采空区数据进行处理。

在本发明一优选但非限制的实施例中，步骤(4)中具体包括：

步骤(4.1)：二三维联动查看点云数据，并显示移动轨迹；

步骤(4.2)：采空区三维量测分析；

步骤(4.3)：不同时间段的数据自动拼接；

步骤(4.4)：采空区绝对坐标转换；

步骤(4.5)：采空区模型自动建模。

在本发明一优选但非限制的实施例中，还包括采空区数据应用，具体为 采空区体积计算可用于生产验收，采空区回填，数据可直接导入矿山专用软 件，用于计算采空区体积。

在本发明一优选但非限制的实施例中，还包括采空区安全监测和评价， 具体为可通过多期的采空区数据进行对比，分析采空区的形变，可定位危岩 体的位置，体积，可协助矿山安全、地质、生产等部门作出判断，进行安全 的处置有效避免地质灾害的发生。

在本发明一优选但非限制的实施例中，还包括采矿设计与运维管理，用 于依靠激光扫描获取的真实的三维采空区数据。

在本发明中，三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是一种全新的 测量技术，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势， 三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获 取高精度高分辨率的数字模型。

在本发明中，SLAM三维激光扫描系统，最大的用途是可以进行实时移 动式的测量，快速进行采空区的数据采集，其主要是依靠SLAM算法。SLAM 三维激光扫描系统是由：激光扫描仪(Laser Scanner)、惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称IMU)与SLAM算法(simultaneous localization and mapping)三个主要要素组成。

在本发明中，SLAM算法是这三大主要要素中最重要的，SLAM算法的 好坏决定了解算出的移动轨迹的精准度，移动轨迹的精准度决定了空间场景 三维数据的精准度。SLAM算法根据激光测距仪所获得三维数据中时间轴上 共同的特征点加上IMU获取的姿态数据，进行实时解算设备从出发点移动的 距离，角度信息，逆向的构建连续的空间场景数据。即被动式依据当前周围 场景的数据实时计算出连续的空间数据。

在本发明中，经过大量的项目实验与技术革新，华测推荐使用手持式 SLAM移动激光扫描系统，GeoSLAM ZEB-REVO RT，该设备具备以下特点： 设备可适用于各种环境，尤其是复杂及封闭的空间，无需GNSS。灵活的接口 和放置方式使得ZEB-REVO可以手持、安装在无人机、机器人上，或者安装 在杆上以探入孔洞。重量仅有1kg，手持即可扫描多层空间，并基于最高IP64 的防护等级，设备可经受严苛环境的考验；ZEB-REVO具备内置WIFI模块， 智能手机或平板连接该设备WIFI，即可通过网页进入控制界面，实时显示扫 描点云，实时显示扫描轨迹，数据通过WIFI可直接下载，操作简单快捷。只 要几分钟培训，任何人都可以操作ZEB-REVO，测点速率高达43000点/秒， 快速生成3D BIM模型。传统方式十倍的效率获取并建模复杂环境数据，可以 成功在最短时间内完成项目，无需间断。比传统测量方式或静态扫描仪更快 的速度，大大节省测量时间。ZEB-REVO也是已有扫描硬件的强有力补充， 相互结合，使作业更高效。

在本发明中，根据测区实际情况，结合绝对坐标控制点，规划行走路径， 避免重复扫描；对巷道进行扫描，获得高质量点云数据。

使用GeoSLAM ZEB-REVO RT手持式SLAM移动激光扫描系统进行井巷 扫描，普通安卓设备，苹果设备，WIN设备均可连接ZEB REVO所发射的WIFI，并控制，最终得到数据。通过向前移动的方式采集采空区的数据，设 备的正前方会形成360°的球形扫描区域，从而完整的获取采空区的数据。

参照表1所示，与传统验收方式比较，激光扫描具有多方面的优势

表1

本发明利用三维激光测量技术，可为采场体积计算、核定采矿量及为采 空区回填提供数据支持。经实际验证，可完全满足验收需求。对于人员难以 进入或较危险区域，可实现远距离安全快速验收，数据精确可靠。

在本发明中，可通过多期的采空区数据进行对比，分析采空区的形变， 可快速的定位危岩体的位置，体积，可协助矿山安全、地质、生产等部门作 出判断，进行安全的处置有效避免地质灾害的发生，来实现采空区安全监测 和评价。

在本发明中，依靠激光扫描获取的真实的三维采空区数据，避免了二维 图纸或模拟的采空区模型对于真实的采空区的描述有误的地方，通过真实的 三维采空区模型用作于采矿设计，回填，监测，管理，等一体化的工作，来 实现采矿设计与运维管理。

在本发明中，随着国家对安全指标不断提高和采空区调查治理的重视， 单一的井下信息系统已经不能满足信息化建设的需要，而目前利用传统测绘 技术所建立的虚拟矿山模型不能够完整反映出真实矿山的原貌，达不到自动 化采矿、智能采矿的需求。华测的无人机激光雷达系统可获取矿山外部的地 形数据，SLAM激光雷达系统获取矿山内部的数据，两者结合，打造真实的 数字化矿山系统，来实现数字化矿山。

在本发明中，随着矿山开采，矿山空区安全问题日渐突出。如果处理不 当，会对生产运营、回填治理、安全控制等多个方面产生影响，

新型的激光测量技术，安全、高效、精确的获取空区数据，三维形态， 并可量取所需的距离和计算截面积、体积等，从而能对现状及治理做出分析 和判断，保障矿山的安全生产，科学有效的分析，管理空区。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局 限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领 域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技 术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案 做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响 本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明 的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于 本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：根据测区实际情况，结合绝对坐标控制点，规划行走路径，避免重复扫描；对巷道进行扫描，获得高质量点云数据；

步骤(2)：使用GeoSLAM ZEB-REVO RT手持式SLAM移动激光扫描系统进行井巷扫描，普通安卓设备，苹果设备，WIN设备均可连接ZEB REVO所发射的WIFI，并控制，最终得到数据；

步骤(3)：通过向前移动的方式采集采空区的数据，设备的正前方会形成360°的球形扫描区域，从而完整的获取采空区的数据；

步骤(4)：对上述的采空区数据进行处理。

2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其特征在于，所述步骤(4)中具体包括：

步骤(4.1)：二三维联动查看点云数据，并显示移动轨迹；

步骤(4.2)：采空区三维量测分析；

步骤(4.3)：不同时间段的数据自动拼接；

步骤(4.4)：采空区绝对坐标转换；

步骤(4.5)：采空区模型自动建模。

3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其特征在于，还包括采空区数据应用，具体为采空区体积计算可用于生产验收，采空区回填，数据可直接导入矿山专用软件，用于计算采空区体积。

4.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其特征在于，还包括采空区安全监测和评价，具体为可通过多期的采空区数据进行对比，分析采空区的形变，可定位危岩体的位置，体积，可协助矿山安全、地质、生产等部门作出判断，进行安全的处置有效避免地质灾害的发生。

5.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的采空区勘察方法，其特征在于，还包括采矿设计与运维管理，用于依靠激光扫描获取的真实的三维采空区数据。