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GeoSLAM 三维激光扫描仪扫描测绘在地下矿山领域 的研究与应用
曾 毅
（云南黄金矿业集团股份有限公司，云南 昆明 650000）
摘 要：
新的时代必然得有崭新的面貌，在科技创新技术改革的背景下，我们矿业发展也同样离不开数字化带来的便利，跟随改革的步伐，我们也始终秉持：“问科技要创新、问技术要效率”的技术改革精神；当前我国矿业资源逐步向深部延伸，地下矿山对测绘的要求越趋加强，为此注重矿山测绘改革与创新已成必然，而GeoSLAM 三维激光扫描仪扫描测绘在地下矿山领域的研究与应用正好为此注入活力。
关键词：
复合肥振动筛GeoSLAM 三维激光扫描仪；扫描测绘；矿山领域；采场空区；创新；数字化中图分类号：TD854.4 文献标识码：A 文章编号： 11-5004（2021）03-0115-3收稿日期：
2021-02作者简介：
曾毅，男，汉族，本科，测绘工程师，研究方向：矿山测绘、工程测绘。由于当前地下矿山采矿时常采用大直径深孔侧向爆破的方
法，采场空区断面大、危险性高、能见度低等艰难特点，为强有力的助力生产，为矿山数字化建设奠定基础，原有使用全站仪的测绘方法已经不能完全满足井下生产建设；本文中主要以GeoSLAM 中ZEBHorizon 型号为例作阐述，GeoSLAM 三维激光扫描仪是当前测绘领域的新型科技产品，可以快速收集空间可见目标表面的点云数据形成有真实空间位置的三维空间模型，主要用于公司采场空区及天井三维模型建立、采空区充填计划及计量、爆破规划设计、地质剖面出图、采场超欠挖计算、精矿量盘点、采场大跨度安全监测等，对于解决当前地下矿山测绘的相关技术难题实用性强，为生产创效增值提供保障，也是矿山技术创新的具体体现。
1 当前地下矿山生产建设及测绘现状分析
因国内大多矿山当前所采矿体规划均在15m~50m 范围内，
通常采用大直径深孔侧向爆破事后充填的采矿方法，采矿过程中需要时适调整爆破设计、采矿结束后会形成危险性较大且无法到现场作业的大跨度采场空区、最终还要清楚空区进行充填的基本情况 ，在生产过程中相关专业人员需要使用采场空区的空间数据信息来解决大跨度采矿的技术难题及安全问题，而采用原有传统全站仪测量的方法又无法实现；随着所采矿体的深入和相邻边界的复杂程度加剧，为保证各矿区内资源的合理开发和利用，三维模型仍能够明确各采场周围的具体情况，有效保障后期的生产规划和有序开采。金刚石碎片
2 GeoSLAM-ZEBHorizon型扫描仪及相关原理的基本介绍
GeoSLAM 产自于英国，现在是3D 地理空间技术解决方案的市场领导者，能够快速、精准的为使用者提供可靠的扫描点云数据，主要适用于无GPS 信号覆盖且难以进入的狭小空间（如：矿井、洞穴、管道、建筑物、森林）或无法安全到作业面的特殊环境；SLAM （Simultaneous Localization and Mapping）是指同步定位和地图构建技术, GeoSLAM-ZEBHorizon 利用惯导技术进行实时定位实行可移动三维激光扫描，基于多线激光探头测距为100m，测量范围为：270°×360°。
3 用于地下相关矿山GeoSLAM三维激光扫描仪具备的参数优势
井下情况：采场厚度大多为15m~50m，数据精度要求≤30mm，采场点多面广，作业危险度高，采场形状不规则。
扫描仪参数情况：可扫描距离100m，扫描精度10mm~30mm，手持可移动灵活作业，采集速度为30万个点云每秒，作业时间短。
4 全站仪与GeoSLAM三维激光扫描仪作业情况对比
全站仪：作业人员（4~5人），作业时间（1~3h/采空区），作业地点（空区现场危险地带），遮挡区域数据（无法采集），计算方量精度（数据稀、精度低），成图情况（抽象二维平面图）。
激光扫描仪：作业人员（1~2人），作业时间（3~8min /采空区），作业地点（空区顶、底部较安全区域），遮挡区域数据（可伸杆完成采集），计算方量精度（数据密、精度高），成图情况（形象三维模型图）。
5 外业作业的操作方法及注意事项5.1 外业操作方法
5.1.1 操作人员及应准备的设备内容
专业作业人员2人、GeoSLAM 三维激光扫描仪一套、球形
工程车辆
标靶1个、3至10m 的可伸缩电缆杆一根、6″级及以上精度的全站仪1台、脚架1个、三角支架1个、棱镜杆1根、棱镜1个。5.1.2 外业作业步骤（1）架设整平全站仪，先将全站仪架设在一个已知控制点上，用另外一个已知控制点定向，再取水准或量取仪器高得到视线高，观测第三个临时点的和第四个检查点的角度、平距、高差，最后计算出这四个点的坐标及高程备用。（2）连接扫描设备，先将电缆一端端口与激光探头连接，再将电缆另一端端口与主机SCANNER 标识端口连接。（3）开机准备扫描作业，将激光探头静置后打开主机电源键，STATUS 指示灯显示蓝闪烁20次后STATUS 指示灯变为红连续闪烁，待出现该界面时长按主机上Fn 键待听到滴滴响两声后松开，之后STATUS 指示灯显示黄同时激光探头上跑马灯也不断闪烁10次，最终激光探头启动旋转开始正式进入扫描模式。（4）手持扫描仪进入采场、新掘进巷道或硐室现场作业，从起点经过需要扫描的区域采集点云数据（在扫描过程中经过立好球形标靶的位置并扫描出球形标靶轮廓点云）。（5）扫描结束存储数据并关机，待扫描结束后再长按Fn 键听到滴滴响两声时把手松开，此时DATA 指示灯亮并显示绿
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不断闪烁，闪烁结束代表该段数据已经存储好，最后长按电源键至STATUS和DATA指示灯同时出现红互闪时松开直至全部指示灯熄灭后关机完成。
废渣45.2 外业操作注意事项
（1）确保主机电源电量在30％以上，每段作业时间尽量控制在30分钟以内。
（2）在条件允许的情况下能走闭合路线尽量走扫描结束回到原点的闭合回路，球形标靶所立的校准点尽量形成三角形覆盖整个扫描区域且有一定高程差值。
（3）井下环境复杂多变，运动目标较多，应尽可能在环境较为静止时作业，尽量避开作业面粉尘较大或水雾较大的时段，减少扫描数据中杂散点云的产生或避免数据不可用。
（4）扫描进入采空区或者巷道硐室狭窄的区域时可采取正向进入，返回时侧身退着往后退出的方法。
（5）当作业现场线路复杂时遇到转弯时尽可能缓慢移动扫描仪，并在特征部分增加必要的重叠点云，避免解算数据时出错。
（6）采场空区或溜井扫描时需连接可伸缩电缆杆，并确保人员和设备的安全。
6 内业处理的操作方法及注意事项
6.1 内业处理操作方法
6.1.1 所需配备人员及软件内容介绍
内业数据处理专业人员1人，GeoSLAM Hub软件、CloudCompare软件、TrimbleRealWorks软件、Geomagic Wrap软件、3DReshaper软件、3DMINE软件等；其中CloudCompare软件是将扫描格式进行转换，GeoSLAM Hub软件主要对转换好格式的扫描点云数据进行解算，TrimbleRealWorks软件是将已解算好的正确数据进行拼接、处理、配准到原坐标系，Geomagic Wrap软件是把完全处理好的点云项目导入后生成所需三维模型再计算方量，3DReshaper软件可切割剖面线等，3DMINE软件主要用于生成平面图等。
6.1.2 内业处理操作步骤
（1）导出扫描数据：打开扫描仪主机电源键，STATUS指示灯显示蓝闪烁20次后STATUS指示灯变为红连续三下重复闪烁，待出现该界面后将U盘插入主机USB端口，此时DAT指示灯绿长亮，当绿熄灭时代表数据传输结束，最后按电源键关机取出数据U盘。
（2）点云数据解算：打开GeoSLAM Hub软件，将导出的geoslam格式点云数据拖入窗口进行处理，解算结束后到已经处理好的ply格式点云数据复制至桌面。
（3）点云数据格式转换：打开CloudCompare软件，在窗口中打开已处理好的ply格式点云，选中点云数据，将所选点云数据另存为las格式。
（4）点云数据处理：计算出外业使用全站仪测的四个点位坐标及高程，打开TrimbleRealWorks软件，窗口中打开las格式的点云，在配准模块（地理坐标转换）下录入三个转换点的坐标及高程进行转换，转换成功后查询核对第四个目标检查点的坐标及高程是否与计算数据吻合且在误差允许范围内，若无粗差且满足使用精度则保存项目文件。
（5）点云数据的编辑及输出：在分析建模模块下，使用套索和裁剪盒工具，分割或删除不需要的点云，将最终有用点云根据所需密度在编辑菜单的取样模块下抽稀处理，再次保存点云项目，最后选中所需点云数据，输出dxf格式的文件。
（6）建模、计算和成图：打开Geomagic Wrap软件，在窗口中打开从TrimbleRealWorks中输出的dxf格式文件，在点菜单的封装模块下进行封装，封装后选中模型文件在多边形菜单下删除钉状物、填充单个孔或全部填充，最终得到可用的三维模型；分析菜单下具备计算模型空间体积，量取任意两点间距离，查询表面点坐标并导出DAT数据等功能，巷道硐室采切工程量或采场空区进度充填方量计算时使用裁剪工具用平面裁剪（定义XY、XZ、YZ平面），输入对应的裁剪位置度（高程H、北坐标X、东坐标Y），把裁剪口子用平面填充得到所需计量的空间模型查询模型计算的方量；当需要绘制巷道、采场硐室平面图时可在3DMINE软件中操作完成，若需要剖面图时可在3DReshaper软件中操作完成。
6.2 内业处理注意事项
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（1）扫描数据需结合实际情况在各个视图状态下仔细审阅，若出现分层、交错、断开或飞出等错误现象，需重新调整解算参数解算或重新进行外业扫描作业。
（2）巷道中的无关人员、设备、粉尘、水雾等杂点要在第一时间内分割出去。
（3）若两段或多段数据需要拼接时，在配准工具栏单点配准模块下使用明显的特征点易于识别，且尽可能保证重叠率较高。
自动拖把（4）TrimbleRealWorks软件中对所选点云输出时，输出格式应选择“点云和结合体”项。
（5）模型封装前需在Geomagic Wrap软件点菜单选择非连接项和体外孤点，并将识别出的点云删除。
7 GeoSLAM三维激光扫描仪扫描测量在地下矿山生产中的应用主要推广内容
7.1 采场空区及井下巷道扫描测量
该项目可在短时间内对井下巷道或采场空区进行扫描，扫描成果可建立成井下开拓巷道、运输巷道等或采空区三维模型图（见图1），且三维模型图处于真实坐标系统下，还可以转化成为二维平面图，具有灵活性强、实用性高的优势，是当前新型测绘技术的一种，经过验证图件精度在30mm以内，完
全满足当前采矿技术规范，对采矿爆破设计、空区充填计划和完成量计算、井下风水电系统布置、地质剖面分析、安全监测管理、下步采矿
规划等提供强有力的技术支撑。
图1 井下1#、5#、9#采场空区三维模型图
7.2 天井扫描测量
井下经常会有溜矿井、切割天井、通风天井等各类天井，因岩层断面、深度等差异，大部分天井测量仍然是一大技术难题也是作业高风险管控点，而天井的建设参数又是管理过程中必须的内容，可移动三维激光扫描项目的出现很好的解决了这一难题，保证更安全、快捷、有效的得到天井点云数据从而生成三维模型，采矿专业技术人员通过模型上的属性信息很好的控制施工质量、进度及安全。
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