SLAM三维扫描仪在溜井的应用

SLAM三维扫描仪在溜井的应用

胡民

云南锡业集团（控股）有限责任公司大屯锡矿   云南个旧661000

摘要：溜井测量具有一定的隐蔽性和不确定性,测量时有相当的危险性,如何对溜井的分布范围、空间形态特征和冒落状况等进行量化评判,是所有矿山面临的难题。本文介绍了扫描前的准备工作、SLAM三维描技术的作业流程及注意事项、给出了点云数据处理的过程和方法,并以大屯锡矿一坑1720中段大箐东57#主溜井测量为例进行数据采集和处理分析,建立了主溜井的三维立体模型,计算得到了主溜井需要修复的体积,为溜井的安全治理和修复设计提供了可靠的数据依据。实践结果表明了三维描技术在溜井测量中应用的可行性和优越性。

关键词：SLAM三维扫描仪 溜井  测量

1. 前言

57#溜井在大量矿石、矿渣倒入碰撞及自然风化、水的侵蚀作用及使用年久下，溜井都在不同程度的发生了井壁坍塌、特别是溜井与斜岔井交汇处坍塌严重，易导致矿量堆积、堵塞和空间位置变化带来安全隐患，溜井无法使用。而对于溜井无法进入用传统的测量仪器进行测量。随着SLAM三维扫描技术在矿山采空区、高分层采场的应用，能够准确的测量现场空间形态、位置，为后期安全生产提高了准确数据。

2.SLAM三维扫描仪工作原理

ZEB-REVO主机在马达驱动的测量探头上集成了惯性测量单元，该测量单元包含三维激光扫描器，再结合扫描移动过程中测量探头的周期运动，即可生成待测空间的三维空间数据。ZEB-REVO所采集的原始激光测量数据必须使用SLAM算法才能转换成为所需的三维空间点云数据，这些原始数据的处理可以通过GeoSLAM的云数据处理中心远程完成，也可使用配套的独立软件进行处理。

数据提取和解压

3.测量溜井作业流程

3.1.前期准备工作

SLAM三维扫描仪在溜井扫描数据采集时需要将扫描仪从溜井口下放到溜井中,为了安全、准确的采集溜井数据，前期需要做好相关的工具和人员准备工作。

①、收集扫描溜井的相关资料、人员、溜井的建成时间、井高、设计规格、服务中段、并做出溜井三维扫描实施方案。

②、在要对溜井扫描前对扫描仪进行检查，要扫描仪电池电量充足，扫描仪数据连接线是否完好正常。扫描仪主机和扫描头是否正常工作。

③、在溜井扫描过程中由于溜井长期使用过程中井壁附着矿石，为了防止在扫描过程中井壁矿石残渣和水对扫描设备造成伤害，干扰数据采集。在溜井扫描时需要提前定制扫描仪保护箱。

④、在溜井口搭建好操作平台，操作台设于溜井口正上方，井中位置预留规格0.4米×0.4米的设备下放口，拉通现场照明，切断架线电源。准备操作人员安全带。封闭溜井口及溜井其他通口确保无风流进入溜井。和清空溜井内矿石。                                                                

⑤、溜井扫描时需要从溜井口在井筒内向下扫描，设备下放时必须采用双绳绑扎设备。要准备仪器提升的绳缆（两根）。                                            

3.2.扫描数据采集

将与仪器安装到仪器保护箱内用数据传输线缆连接仪器主机与扫描头，并确保各螺栓、卡扣紧固到位。仪器安装好后将仪器放置于平稳处保证激光扫描头处于平放、静置即可开机，先按开机键进行开机，观察STATUS指示灯由蓝灯闪烁变为红灯闪烁即开机完成。开机完成后按下 “Fn”听到两声“滴、滴”声后仪器开始初始化，观察STATUS指示灯由红灯闪烁变黄灯闪烁再变为绿灯常亮，并且扫描头开始旋转即完成开机与初始化工作，可以进行下一步扫描工作。

3.3.扫描过程

开始扫描前安排两名工程技术人员穿戴好安全带在井口安全平台等待，开始扫描时由一名工程技术人员手持仪器保护箱，并另指定两人在后方整理绳索。扫描时先扫描一段溜井平巷（此段平巷要包含特征位置，如岔口；转弯等）。下放过程中两名下放人员和观察人员要相互配合，严密观察仪器姿态，保证仪器平稳下放，避免仪器与井壁发生磕碰。后方整理绳索人员和下放人员要观察绳索上的长度标识，在绳索下放至预定长度后即可提升仪器，提升时同样要控制提升速率保证仪器的平稳，避免磕碰。

仪器顺利提升后将仪器转移到进口旁边平稳处，打开仪器保护箱上盖按下“Fn”键，听到两声“滴、滴”声后观察DATA指示灯变为黄色长亮（此时表示扫描数据正在存盘），等待DATA指示灯熄灭、STATUS指示灯变为红色闪烁（此时表示数据存盘结束），之后按下关机键，所有指示灯熄灭即表示仪器已关机，扫描过程结束

4. 数据提取及解算

4.1.数据提取

下载数据时，请打开数据采集器电源开关，一直等到STATUSY由蓝色到红色闪烁，U盘插入设备传输数据USB端口（观察数据灯变绿表示数据开始传输，数据灯熄灭表示数据传输结束，扫描点云数据自动会传输至U盘（传输时间大约1分钟）。将U盘插入电脑，把点云数据压缩包拖入三维扫描仪解算软件GeoSLAM Hub解压时间大概10分钟左右。

4.2.点云数据处理

数据解压后，获取的点云数据包导入数据处理软件，点云数据进行抽稀，降噪等，再将CAD边线导入软件，把点云移至到CAD边线上（利用点云中的特征位置与边线上的特征位置进行移动、拼接）获得点云数据真实的相对坐标。

4.3.模型建立

将处理好的点云数据导入3DRshp_Loader.exe软件，对点云数据进行依次3D网格、分解复合网格、填充孔、矩形平滑等处理，将处理好的数据导出后再迪迈软件打开就能得到三维模型。因为在点云处理时软件会将边线的坐标大数减去，在导入迪迈软件后还需在线处理功能中将模型平移到正确坐标（平移量即为点云处理时减去的坐标大数）。                                       

5. 数据对比及精度评定

5.1数据分析

扫描时通过对溜井连接巷道测量控制点的空间位置采集，在经过数据处理后提取点云数据中控制点的三维坐标与全站仪测量控制点的三维坐标对比。点位差相差，满足。

5.2溜井平剖面图纸

将建立的模型导入到模型处理软件Dimine中，可以通过Dimine中剖面裁切工具获取所需任何方向的平剖面图纸。可以存储为多种格式，方便与其他软件应用共享，以CAD为例。

6、应用

通过手持三维扫描仪对溜井数据的采集，通过获取的点云数据和所建立的三维模型可以做到“所见即所得”从而对溜井空间形态特征和冒落状况等进行量化评判。通过长期的扫描数据对比可以建立起完善的溜井变形监测系统，为后续的安全管理提供可靠的技术支持

7.结论

便携式三维扫描仪作为近年来发展的新型技术通过扫描仪移动穿越需要扫描的区域，即可完成三维扫描工作。和传统的激光扫描技术相比，使用这套设备无需进行复杂的初始定位、整平、放置标靶等多项准备工作。通过在溜井观测中的应用实例，在空间环境复杂的地下矿山相比于传统的测量模式更加快捷高效。而采集的点云数据和现所使用的生产软件可以较好的衔接共享数据，通过点云和建立的三维模型为后期溜井安全管理和溜井修复提供了可靠技术支持。

参考文献

1. 基于SLAM技术手持三维激光扫描仪在铜矿山井下的应用  刘志强  2021年4月  第50卷  第二期
2. C-ALS三维激光扫描系统在溜井扫描中的应用与研究   王刚  2020年10月  第16卷  第4期