基于三维激光扫描技术的溜井测量与垮塌分析.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o gy a n d Eq u ipmen tVo B.25 No.1Ma e.2023基于三维激光扫描技术的溜井测量与垮塌分析韩萌萌打李莉娟韩萌萌打李莉娟2(浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州310030；2.浙江省国土勘测规划有限公司，浙江杭州310030)摘要摘要：为了深入研究溜井在使用过程中的破坏特征，本文首先以三维激光扫描为测量手段，根据 溜井的现场环境制定测量方案，采集溜井垮塌位置的原始点云数据；然后，以三维激光点云数据为 数据源，进行溜井及溜井周围环境的精细化三维模型制作，实现了溜井的三维可视化；最后，对模型 数据进行水平断面与立体剖面处理。研究结果表明，溜井在各个中段都有不同程度的垮塌现象，总 垮塌量达到2 155 m3，-50 0 m段垮塌体积为759 m3，-100-50 m段垮塌体积为417 m3，-150-100 m段垮塌现象最为严重，垮塌体积达到979 m3#本研究为溜井安全运行的监测方案 提供了参考。关键词关键词：三维激光扫描；点云；成果分析中图分类号中图分类号:TD171D0I：10.20006/j.c ik i.61-1363/T.2023.01.016Orepass measurement and c ol l apse anal ysis basee on 3D l aser sc anning t ec hnol ogyHAN Mengmen),LI Liju an2(1.Zh ejia n g In stitu te o f Su r v eyin g a n d Ma ppin g Sc ien c e a n d Tec h n o l o gy,Ha n gzh o u,Zh ejia n g 310030,Ch in a；2.Zh ejia n g Pr o v in c ia l La n d Su r v ey a n d Pl a n n in g Co.,Lth.,Ha n gzh o u,Zh ejia n g 310030,Ch in a)Abst rac t:In o r d er to fu r th er stu d y th e Oiil u r e fea tu r es o f th e o r epas d u o n g o per a tio n,th is pa per fir st u ses 3 D l a ser sc a n n in g a s a meesu r emen i meth o d,a n d d ev el o ps a mesu o men t pl a n a c c o r d in g to th e fiel d en v ir o n men t o f th e o r epa s,a n d c o l l ec ts th e o r igin a l po in t c l o u d d a ta o f th e c o l l a pse po sitio n o f th e o r epas.Th en,0 u ses 3D l a ser po in t c l o u d d a ta a s th e d a ta so u r c e to ma k e th e el a bo r a te 3D mo d d o f th e o o pas a n d its su r r o u n d in g en v ir o n men t,a n d to r ea l ize 3D v isu a l iza tio n o f th e o o pas.Fin il y,it pr o c esses th e mo d d d a ta by h o izo n tW a n d th r ee-d imen sio n i sec tio n.Th e r eseer c h r esu l ts sh o w th a t th er e a r e d Ofer en i d eer ees o t c o l l a pse in esc h mid d Oe sec tio n o f th e o r epa s,th e PtW c o l l a pse v o l u me r ee-c h es 2,155 m3,th e c o l l a pse v o l u me o f th e-50 m to 0 m sec tio n is 759 m3,th e c o l l a pse v o l u me o f th e-100 m to-50 m seeto o n o s417 m3,th e e oaa psev o a u meo Uth e-150 m to-100 m seeto o n o sth e mo st seo o u s,a n d th e c o l l a pse v o l u me is u p to 979 m3-Th is stu d y pr o v id es a usSiI r efer en c e Co r mo n ito-yn y sc h eme o f th e sa fe o per a tio n o f th e o r epa s.Keywords:3D l a ser sc a n n in g&po in t c l o u d;osuB a n a l ysis1引言三维激光扫描技术是继全球导航卫星系统(Gl o ba O Na v iga tio n Sa tel l ite System,GNSS)技术之后的 又一重要技术革新。该技术采集数据的方式是通过 非接触式高速激光发送与接收,在复杂的环境中对被 扫描对象进行快速测量,得到被扫描对象的三维空间 位置信息与纹理信息，因其是一种实景化的表达，故 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”1%某金铜矿2号溜井是地下采矿场矿石溜井，累收稿日期收稿日期：2021-05-16第一作者简介第一作者简介:韩萌萌,工程师，主要从事测绘及地理信息数据采集与处理工作第1期韩萌萌,等:基于三维激光扫描技术的溜井测量与垮塌分析81计总放矿量300万吨，至今已正常使用6年。根据 对 的矿石块、储 量进行判断,自2019年6月开始，几次程度不同的 象,但是没有影响 的使用，周 程也未受到任何破坏。为了对2 的 面形状进行准确的掌握与了解，有效评估 的 程度及健康状态，本文利用三 在三 间数据 及场景中的优势，将三 技术应用到2 的数据 中,并且对数据进行全面分析与研究,为2的安全评估、运行维护、使用管理等提供 的基础数据 学依据。2溜井三维数据采集2.1仪器介绍仪器介绍次 数据采集采用的是MDL公司生产的C-ALS自动激光扫描系统。C-ALS可精确、快速、安全地，是一款较为耐用的三 C-ALS 仪性能较高，可以沿着钻孔深入 到难以接近的空腔、地下空间及空穴内。C-ALS用 驱动的双轴，径仅为50 mm,双轴扫描探头可保证仪器进行球形360扫 描，对 场景中的对象进行数据；了罗盘、转动传感器等，可以对被 对象进行准确的 叫使用C-ALS三行 时,可以选择水平扫描或 方式行，通 低的增量数值，可获得更大限度的探测，1所示%2.2数据采集数据采集2号溜井高程超过130 m,纵跨-150 m、-100 m、_50 m、0 m 4个中段根据现场情况，考虑 到测量 人员的安全性，将 作分为两段%一是将C-ALS三维激光扫描仪扫描头从0 m中段 的 部通 机导向孔 放置;二是将扫描仪器放置在-100 m中段，作行前，在 格筛上完成工作 的，将作为填充使用的高分子导 在，并将扫通过导 递进行 测量(a)水平扫描(b)垂直扫描图1 C-ALS扫描原理Fig.1 Pnndpie of C-ALS sc anning本次2号溜井在-100 _150 m中段共进行 了两次 作，由于溜井内粉尘对第一次扫描的影响较大，数据质量不高溜井放矿结束 后,待 度降低后，再将 仪通过导向管中下放进行第二次，-100-150 m中段 的点云数据通上述两个阶段 的激光点 作，获 了 2号溜井全段完整的点云数据。3数据处理3.1点云数据解算点云数据解算2 场数据 完成后，通 Ca eo iySc a n软件对 的原始数据进行处理与解算，得到可用的激光点云数据 2为经软件解 的点数据,其中点云精度 级高度的点云数据可以对 状进行最大程度地，为后期溜82测绘技术装备第25卷井状况的分析与治理提供可靠的基础数据。Fig.2 Point c l oud of No.2 orec ass aft er sc anning图4 2号溜井三维模型Fig.4 3D modeC of No.2 orec ass4成果分析3.2溜井三维建模溜井三维建模作为C-ALS三维激光扫描仪的配套软件，Ca v ity Sc a n软件可以进行点云数据解算,但其通用 性不高，不，不能 行三，故 能将2的空间信息、有效地反映出来为了更效地利用点云数据，可以使用 的点云步进行，并通 化可以直观地展示溜井状态。Su r pa c软件是一款专门为矿山测量及工程预算、规划及设计、矿体资源 立 的大三维数字化，目前该软件在国 广泛使用。文利用Su r pa c t 行 三，首先，将点云数据转换为Su r pa c可以加载的线文&然后，通 Su r pa c t 行三；最后，用的三 通 三可以进行相应的操作及直观的空间，为的现状分析提供 的数据。点数据转换文件及构建后的三 分 3、4所 图3原始点云文件转换Su r pa c文件Fig.3 Conversion of t he original point c l oud fil e t o Surpac fil e4.1溜井与其他工程的空间关系溜井与其他工程的空间关系的破坏不仅影响其自身的安全状态，更会 威胁到周边工程的安全状态通过分析 周围程的，可以对 成的周边工程 程度进行评估，有效保障人员安全，为 的安全运行提供依据。图5所 为设计的2 1 的间，图6所为实测的2 1送的空间 图5 2号溜井、1号溜井的位置关系Fig.5 Loc at ion of No.2 orec ass and No.1 orec ass图6实测2号溜井与1号溜井的位置关系Fig.6 MeasureC l oc at ions of No.2 orec ass and No.1 orep亦s第1期韩萌萌,等:基于三维激光扫描技术的溜井测量与垮塌分析83从图6可以看出，2号溜井不同段都发生了垮 塌，主要集中在-100-150 m处,此段垮塌位置 在 对面，垮塌的尺 其他段都更大。-100 m中段以上存在局部，主要 在-43-49 m标咼处。此次 1号溜井与2 贯通的现象。4.2剖面图输出与分析剖面图输出与分析为了 准确地分析2号溜井的空间形态及 周边工程的关系，可以对2号溜井进行 面输出。图7所 为2号溜井5个方向的 面图 图7 2号溜井实测模型各方向纵剖面Fig.7 Longit udinal proUie of measuree moder ineac h direc t ion of No.2 orepass从图7可以看出，2号溜井每个中段位置的垮 塌程度都 样。分析2 1 的出，2 测 1 的小 距离为10.85 m，2号溜井的垮塌对1号溜井没有产 生安全影响。4.3 面图 与分面图 与分分析2 测模型的横向剖面输出结果可以得出，不同标高的横剖面反映出不同中段的垮塌 程度都 样。在-100 m中段以上部分 为完好，的距离约为1叫-100-150 m中段处的垮塌现象较为严重，计算 得到最大垮塌尺 4.2 m，等效直径为8.8 mo4.4数据汇总与分析数据汇总与分析通过三 仪对某金铜矿2号溜井进行点云数据采集，并以点云数据为基础数据进行三维 的构建 通过对 测模型与实际模型的纵、横剖面图，数，并对所 数进行汇 总，如表1、表2所示%通 数可知，某金铜矿2号溜井的不同中段 都 在 同程度的 象，量为2 155 m3%其中：1)0 50 m段:垮塌量占比为35.2%，垮塌尺寸 为0.86 m，平均垮塌面积为15.25 m2。垮塌主要集 中在-43-49 m处，在-47 m处的垮塌量最大,垮塌尺寸达到3.61叫断面面积达到72.57 m2%此 中段 保持较为完整，大，说明此段井2)-50-100 m段垮塌量占比为19.4%，垮 井壁完整性最好，主要是由于该段处于井筒中部，井塌尺寸为0.15 m，平均垮塌面积为8.34 m2%该段 壁在矿山下落过程中受到的撞击较小为，安全，暂时 对周边工程造成全%表1 20 m间隔模型实测体积和垮塌体积统计Tab.1 Measuree vol ume and c ol l apse vol ume of 20 m int erval moder标高/m积/m3测积/m3累 测积/m3积/m3累 积/m3-140-120246588588342342-120-1002709071 495637979-100-802505252 020275343-80-602503502 370100443-60-402486262 996378344-40-202505223 518272616-20-01843353 853151345表2溜井实测模型各中段参数统计Tab.2 Paramet ers in eac h int erval of t he measuree moder of t he ompass中段区间/m测积/m2积m高度/m面积/m2测面等效径/m-150-1001 4959793428.797.48-100-501 041417508.345.15-50 01 3177595015.525.8684测绘技术装备第25卷3)-100 -150 m的垮塌现象最为严重，垮塌 量占比为45.4%,垮塌尺寸为2.48 m,平均垮塌面 积为28.79 m2。垮塌位置主要集中在-110 -130砾处，在-126 m处的垮塌量最大，垮塌尺寸 达到4.24 m，断面面积达到60.26 m2。垮塌核心区 位于底部斜溜槽正对面,该段的垮塌量较大,但尚未 达到对周围工程造成安全影响的程度。4)1号溜井与2号溜井的垮塌处最小距离设计 为10 m,在设计安全距离之内，尚不会对周围工程 造成影响。5结束语本文利用C-ALS三维激光扫描仪采集得到某 金铜矿2号溜井的原始测量数据，并通过点云数据 解算、处理与三维实体建模，得到2号溜井真实的空 间形态,为溜井的安全维护与运行提供了精确的空 间几何参数。如何科学、有效地获取溜井空间形态 和对运行状态进行安全监测，是当前矿山生产面临 的主要难题，三维激光扫描仪的出现,为溜井的科 学、有效测量提供了一种新的解决方案。本文将三 维激光扫描仪应用到溜井测量中，不仅可以大大提 高外业数据采集效率，更能准确把握溜井的使用状 态，对避免地质灾害造成的溜井大范围垮塌未及时 发现，给人员、设备和矿山安全带来的安全事故具有 借鉴意义。参考文献1成枢，朱玉明，牛英杰,等.三维激光扫描技术在高速 公路沉降监测中的应用J.矿山测量,2020,48(3):20-23,40.2 姚志伟，方志甫,桂旺华，等.三维激光扫描技术在冬 瓜山铜矿采空区探测中的应用J.有色金属(矿山部 分),2020,72(5)：67-69.3 喜文飞，李灵索，杨勇，等.基于点云数据的不规则文 物三维重建一一以经幢为例J.测绘通报，2020(12)：87-89.4 孙月霞，李梁杭，朱铃铃.基于点云数据的文物修复与 建模J.测绘与空间地理信息，2020,43(10)：57-59.5 黄承亮.三维激光扫描技术在城市规划管理中的应用 J.测 通报,2018(S1)：84-88.6 李玉兵，王鹏.车载激光点云数据中行道树三维信息 自动提取研究J.测绘与空间地理信息，2018,41(8)：40-43.7 柳新强，乔丙新.基于三维激光扫描技术的工业设备 形位检测研究J.北京测绘,2018,32(8)：887-890.8 于宝兴，李仲勤，韩峰，等.点云数据在兰州地铁中的 应用 J.测 学技 学报,2018,35(4)：383-388.9 YANG QF,QUDK,XU F,c t a l.Mo bil e Ro bc t Mo tio n Co n tr c i a n d Au to n o mo u s Na v iga tio n In GPS-d en ied Ou t-d o o eEn eo 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