基于C-ALS采空区探测及三维模型可视化

基于C-ALS采空区探测及三维模型可视化李海峰弓矿露天铁矿地测科
基于C-ALS采空区探测及三维模型可视化
李海峰
(弓矿露天铁矿地测科)
摘要采空区三维激光扫系统 ( C-ALS)具有全自动扫描、操作方便、数据处理简单等特点,同时探测人员无须进入空区。

利用C-ALS对矿山的采空区进行探测 ,了解其空区的形状、大小和位置 ,运用其自带的软件进行编辑与成图并建立三维模型。

从而确定空区在矿山CAD图上的具体位置 ,为采空区的处理提供可靠的理论依据 ,从而确保作业工人和设备的安全。

关键词采空区 C-ALS 探测三维模型
Based on C-ALS Gob detection and visualization of
three-dimensional models
Li Haifeng
(The section of geologic and geodetic，Open pit mine)
Abstract Gob three-dimensional laser scan system (C-ALS) with automatic scanning, easy operation, data processing and simple, while probing personnel are not required to enter the empty area. The use of C-ALS mine gob detect, understand the shape, size and position of its empty area, using its own software for editing and mapping and the
establishment of a three-dimensional model. To determine the specific location of the mine in an empty area of CAD drawings, provide a reliable theoretical basis for processing the mined area, thus ensuring the safe operation of workers and equipment.
Key Words gob C-ALS probe three-dimensional model
1 引言
随着我国社会、经济的迅猛发展,矿产资源开发在国民经济中起到越来越举足轻重的作用。

目前,地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题,并随着矿山进一步向深部开采,地压随着增大,地下空区在强大的地压下,容易发生坍塌、片帮、冒落等一系列采空区灾害 , 对矿山工作人员和设备带来严重的威胁。

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。

三维激光探测技术是对空区的整体或局部进行完整的三维坐标数据探测，在三维空间进行从左到右,从上到下的全自动高精度扫描,进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据—“点云”,从而真实地描述出目标的整体结构及形态特性。

通过扫描探测点云实体化编辑逼近目标的完整原形及矢量化数据结构，可进行目标的三维重建。

然后由全面的后续处理可获取复杂的几何内容，如长度、距离、体积、面积、目标结构形变、结构位移及变化关系等。

2 C-ALS采空区三维激光自动扫描系统
英国MDL公司研制的钻孔式地下空间和采空区三维激光自动扫描系统C-ALS ,该系统能通过预先钻出的钻孔,将激光探头插入到采空区内部,从而快速、安全地勘查地下采空区的内部情况。

仪器探头直径仅为 50 mm ,使得它可沿钻孔深入到难以接近的空区、地下空间以及空腔内（如图1）。

图1 C-ALS激光扫描探头
内置的钻探摄像头上装有红色LED指示灯,便于清楚地看到钻孔内部以及测量过程中遇到的各种障碍物,同时还能辨识空区的入口。

一旦进入空区,激光头便向外打开，开始扫描空穴的三维形态及其表面反射率。

C-ALS的有线遥测系统可将测量数据传回地面的控制单元。

配置笔记本电脑，就可方便的控制和获取数据。

利用MDL的控制软件,可在屏幕上显示出C-ALS摄像机捕获的镜头 ,并实时获取激光扫描生成的三维空区图像。

3 采空区探测
连接好设备，打开地面控制单元及计算机，通过计算机接受控制单元信号连接网络，打开控制软件，用GPS确定钻孔和杆尾坐标并将坐标数据输入软件
相应数据处理工具，
C-ALS即可完成其它的定位（如定向杆方位角、下放探头坐标等）.现场操作方式如(图2)所示。

图2 C-ALS三维激光扫描现场操作图
通过软件设置下放步长（m）和空区扫描步长增量（deg）。

C-ALS的探头下放过程中，打开前端摄像头以时刻观察钻孔或空区特性，通过数电缆线的节点来确定下放深度，下放至探头进入空区0.5m-1m停止下放，固定探头，进行扫描。

钻孔深度扫描可以有两种方式 : A:水平方向扫描（图3a），B: 垂直方向扫描（图3b）。

a水平方向扫描 b 垂直方向扫描
图3 C-ALS三维激光扫描方式
4 采空区三维模型可视化
通过扫描 ,能得到采空区轮廓数据，出现采空区扫描“点云”数据。

这些“点云”通过处理可得到采空区三维形状包络进而对图形进行实体化。

通过图中耦合可得到两个相关钻孔的联合包络及联合实体图。

5 后期数据处理及解释
（1）打开扫描数据，查看钻孔信息和扫描信息
通过MDL软件打开C-ALS扫描数据，可以在左边信息框中查询钻孔信息及空区“点云”信息。

（2）输入孔口坐标
若室外工作没有输入坐标，可通过双击图中探杆图标collar进行孔口坐标输入。

（3）多角度视图浏览
MDL软件提供各方向视图浏览，除基本的坐标轴方向外，也可以通过旋转观察其他方向视图。

（4）不同格式输出
MDL软件提供不同格式的输出，不仅可以输出为文本文件提供“点云”详细信息，亦可以输出为DXF格式通过CAD打开，方便矿山进行连图工作。

当然用户可根据需要输出不同其他格式的文件。

关于数据处理及具体的解释方法要结合不同情况选择不同的软件确定正确的处理方式，在这里并不赘述。

6 测量注意事项
（1）C-ALS的探头直径是50mm，所以钻孔的直径要大于65mm。

一般的探测孔（90mm、140mm）和爆破孔（225mm）都是非常理想的选择。

测量时要注意孔口处不要有大块的石头，如果石头掉入钻孔很容易卡住钻头，使其无法正常取出。

（2）一般不建议钻孔的深度大于100m，因为定向杆在100m外不能够保证方位角恒定。

（3）激光在有水的采空区是无法得到测量结果的，如果采空区部分被水淹没，那么还可以测量顶板和没有被水浸的部分，如果采空区完全被水淹没则不能测量。

（4）有些情况下采空区的顶板会出现坍塌，使得C-ALS的探头不能旋转也不能测量（坍塌后采空区直径小于30cm）。

（5）如果顶板的厚度太薄，或者孔口的部分已出现大量塌落，考虑的人员和设备的安全也不能进行测量。

（6）如果采空区的面积巨大，（C-ALS可以扫描直径300m的采空区）则可以在不同位置进行钻孔，软件可以将数据拟合。

7 结论
地下空间和采空区三维激光扫系统(CALS)具有全自动扫描、操作方便、数据处理简单等特点,同时探测人员无须进入空区。

成功进行了地下采空区隐蔽工程三维可视化，不仅可以可视化描述地下采空区的分布范围、空间形态特征等，还实现了对采空区体积进行定量测算。

通过对地下采空区的测量，可以精确的对采空区进行定量和定性，并与地
面的数据信息相结合
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为后期采空区的治理 ,提供了科学、准确的依据。

参考文献
1 李夕兵,李地元,赵国彦,等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判 [ J ]. 采矿与安全工程学报,2006,23 ( 1) : 24 ～29
2 赵国梁,岳建利,余学义等.三维激光扫描仪在西部矿区采动滑坡监测中的应用研究 [ J ]. 矿山测量, 2009, 6 (
3 ) : 29 ～31
3 C-ALS The Detection System Software User Manual (Second Edition) [M]. The Cavity Scanni ng Laser System Software International , 2007
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
授课：XXX。