美國拓普康三維激光掃描儀GLS-2000礦山安全監測應用代理
 

一、礦山安全監測
礦產資源在目前階段是世界上發展社會經濟的重要的基礎資源，也是人民生活水平提升的物質基礎之一。礦產資源具有稀缺性和*的特點，因此也是人類寶貴的自然財富。礦產資源的開發過程中不可避免的會伴生各種礦山災害，比如地表塌陷、邊坡滑坡、井下透水、瓦斯濃度過高等。因此，在礦山安全生產過程中必須遵循“安全*、預防為主、綜合治理”的安全生產方針。而礦山安全監測也日益受到國家和企業的重視。
礦山安全監測的方法和手段很多，是一個復雜且龐大的系統工程。礦山安全監測涉及到不同種類的礦山如露天礦、地下礦、煤礦、金屬礦等，礦山安全監測涉及到各種傳感器，包括位移、應力、壓力、氣象、水文、氣體濃度、熱量等，涉及的儀器設備包括壓力計、張力計、測量機器人、GNSS接收機、溫度計、濃度計以及遙感衛星、無人機等[2]。礦山安全監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警。因此，在礦山安全監測中，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測平臺是礦山安全監測中的重要技術支撐。隨著物聯網技術的發展，礦山安全監測平臺也逐步朝著智能三維可視化的方向發展。

二、三維激光掃描技術
三維激光掃描技術是一種利用激光測距原理進行快速、準確的空間三維測量的新技術[3]。該技術與傳統手段相比，具有獲取數據速度快、獲取數據的精度高和獲取的數據信息量豐富等特點。除了傳統的空間坐標信息，三維激光掃描技術還可以獲取目標對象的紋理信息和反射率信息。因此該技術的出現也被稱為是測量技術從單點測量到面測量的一個飛躍[4]。此外，該技術在成果表現形式上，具有成果種類豐富的特點，因此該技術廣泛的受到了各個行業和領域的關注。目前在傳統測繪、文化遺產保護、工業設計、智慧城市、工廠設計、軍事分析等領域都有了一定的研究和應用[5]。
三維激光掃描技術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；相位式以連續的相位激光波通過相位差實現測距。由于三維激光掃描采集的點云速度快、數據量很大，形成的目標對象的表面密集的三維點集數據通常形象的被稱作點云[6]。

1. 三維激光掃描在礦山領域的應用
三維激光掃描技術作為一種高效、高精度、非接觸測量的數據獲取手段，非常適用于作業環境惡劣、人員安全保障需求高的礦山領域，因此在礦山領域的很多業務中已經有了結合與應用。例如，基于三維激光掃描技術，可開展礦山地質建模與應用研究、數字礦山建設、礦山地形快速測量、礦山采空區測繪、礦山滑坡變形趨勢評價、井下安全監測、礦山邊坡變形監測、巖體節理信息提取、開采沉陷的應用、露天礦山儲量測量、動態儲量監測、礦山巷道變形監測、尾礦庫穩定性分析等[7]。

2. 三維激光掃描應用于礦山安全監測平臺
由于礦山安全監測涉及到多源多類的傳感器，需要統一的數據處理和分析平臺進行各種數據的采集、組織、管理、分析和預警。礦山安全監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成為礦山安全監測平臺的發展趨勢。三維激光掃描技術應用于礦山安全監測平臺，有兩個方面的應用，一是本身作為數據來源之一可以進行諸如動態儲量監測的分析，二是利用三維激光掃描技術獲取速度快、數據精度高的特點，構建三維可視化礦山安全監測平臺。

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基地。該礦興建于二十世紀九十年代，是國家“八五”重點建設工程項目，屬易采、易選的大型山坡露天礦，設計服務年限40年。
本次研究以三維激光掃描技術為基礎，獲取尖山露天礦約3.6平方公里現狀三維數據，并將礦區現有的測量機器人所觀測的棱鏡位置準確的標記在三維現狀模型中，并以此構建三維可視化在線安全監測平臺。
2. 數據采集

圖1 TOPCON GLS-2000現場數據采集

本研究的外業數據采集工作采用了TOPCON GLS-2000 三維激光掃描系統。該設備掃描距離500米，視場角達到360°×270°，同時集成了兩個內置500萬像素數碼相機，可同步獲取礦區的真彩色三維紋理。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) 一體化設計；
2) 可全景掃描；
3) 內置雙相機；
4) 可掃描棱鏡；
5) 具有二次回波；
6) 內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) 內置5種掃描模式。
3. 數據處理
數據處理的流程包括了數據預處理和三維建模兩個階段。預處理階段，原始掃描的點云經過去噪、拼接之后，形成礦區完整的統一坐標系下的點云數據。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置相機獲取的真彩色照片。經過上述處理后形成礦區現狀的真彩色三維立體表面模型，經過現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，將礦區范圍內的測量機器人的監測棱鏡按照真實地理坐標放置并以模型體現，從而形成整個礦區的150個監測棱鏡在三維空間中的立體表達。

礦區現狀DEM

礦區現狀三維真彩色表面模型

礦區安全監測平臺局部

美國拓普康三維激光掃描儀GLS-2000礦山安全監測應用代理
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四、總結
目前數字礦山、智慧礦山的建設方興未艾，其中很重要的一個建設內容就是礦山的安全監測。隨著監測手段的多樣和監測傳感器的豐富，構建基于多源傳感器的統一礦山安全監測平臺是安全監測的重要課題，而平臺的三維可視化已經成為趨勢。
三維激光掃描技術具有獲取速度快、數據成果精度高、作業方式安全性高等特點，在礦山領域的過往研究表明，三維激光掃描技術在礦山領域有廣泛的適用性。本文為三維激光掃描技術在礦山安全監測平臺中的的應用做了初步的實證研究。
4. 成果
利用WebGL技術構建跨平臺的在線三維礦山安全監測平臺，將上述三維模型作為平臺展示的基礎，將傳感器模型在三維空間中立體展現，并通過頁面定制，實現傳感器數據的實時接入、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上接入其他傳感器以進一步實現多源數據的綜合分析。
基于三維激光掃描技術構建的在線礦山安全監測平臺，實現的主要功能包括：整個礦區的實時瀏覽三維場景、可疊加矢量數據進行三維可視化表現、屬性數據支持和屬性數據查詢、數據條件定位查詢（根據查詢條件，自動定位目標查詢物）、實時的傳感器數據顯示、綜合分析、超限預警等。該平臺可整合礦山基礎數據資源，推進數字礦山和智慧礦山建設，實現決策管理數字化、可視化，可提高礦山安全和處置突發事件的能力。