三维激光扫描仪井下安全监测技术

C-ALS（ Cavity Auto Scanning Laser System） 最早 于 1996 年进入市场，是世界上第一款能通过地面上 钻孔对地下空区进行扫描的装置，该仪器的性能已 在很多条件恶劣的地下测量实践中得到了验证，并
图 4 C-ALS 系统组件 Fig． 4 The compositions of C-ALS
第4 期
张 达等： 三维激光扫描仪井下安全监测技术
3
可通过直径 20 cm 左右的钻孔将激光头伸入到危险 空区中进行探测，而操作人员则可以通过手持终端 设备在安全的位置进行遥控操作。 2. 1. 2 CMS 原理及监测过程
使用 CMS 对空区进行测试前一般需对空区周 边现场进行安全检查，尤其是操作人员需要进入的 场地，确保人员的安全。CMS 仪器为模块化组件， 安装相对比较简单。安装时，首先将激光扫描头固 定在碳纤维材质的支架上，然后将它稳固安装在空 区的某一位置，该位置应尽量能扫描到空区的所有 角落 （ 如图 3 所示） 。
软件部分主要是与 C-ALS 系统配套的远程控 制软件 C-ALS Control Software，其操作界面如图 5 所 示。
图 5 C-ALS 控制软件 Fig． 5 C-ALS control software
2. 2. 2 C-ALS 系统原理及监测过程 C-ALS 系统的工作原理是根据激光的射出角度
其核心技术为激光雷达技术（ Laser Detect and
Ranger，Ladar） ，这是一种先进的主动传感方法，它
采用激光作为传感的载体，通过发射受控制的激光
来照射被测目标，然后接收被测目标的后向散射，根
据激光的往返时间或者相位差来精确测定距离信
息，即：
s=
1 2
ct
或
s
=
4λπΦ
其中： s 为待测距离，c 为光速，t 为激光的往返
和探测距离值进行定位，激光从光源发射到某个目 标表面并反射回来，用高频数字电路测定其经历的 往返时间，并以此来计算光源和目标之间的距离，并 通过角度编码器等部件测定激光头转过的角度。空
4
有 色 金 属（ 矿山部分）
第 63 卷
区激光自动扫描系统（ C-ALS） 依靠无线终端控制扫 描头采集数据，通过通信电缆传输到控制软件中进 行数据转换和处理，生成空区的三维模型，也可以将 数据 导 入 SURPAC、VUL2CAN、DATAMINE 等 专 业 矿山数据处理软件中，进行各种数值计算，并作为采 矿设计和稳定性分析的依据，其工作流程见图 7。
激光点坐标计算方法如下：
{x = scosθcosα y = scosθsinα z = ssinθ
其中，s 为三维激光扫描仪通过脉冲测距法得
到的距离测量值，α 和 θ 分别为由角度编码器控制
并同步测量的每个激光脉冲的轴向扫描角度测量值
和径向扫描角度测量值。三维激光扫描测量一般使
用扫描仪内部的坐标系统，为三维立体坐标系，默认
仪器中心位置坐标为（ 0，0，0） 。
三维激光扫描测量仪在开始工作之前，会依据
图 2 采用脉冲测距法的三维点坐标 Fig． 2 The 3D coordinates of TOF method
补偿器自动设定初始位置，在已知仪器中心点坐标 （ x0 、y0 、z0 ） 和仪器初始化方位 θ（ 仪器初始化后初始 方位与用户坐标系中北方位夹角） 的情况下，通过 平移、旋转，把观测点的坐标数据换算至用户坐标系 统：
2） 点云数据被保存成“txt”格式的文本文件，一 个点数据包括一个距离值和两个角度值，采用系统 自带的软件 CMS PosProcess 将文本文件转换为通用 格式文件，这样就可以通过 CAD 软件或矿山专业软 件（ 如 SURPAC、DATAMINE 等） 处理并使用；
3） 通过采用 CMS 专用的数据处理软件 QVOL 处理经过 转 换 的 点 云 数 据，生 成 空 区 的 三 维 图 形。 通过 3D 网格获得任何方向上的任意空区剖面，并 自动计算空区体积和剖面面积。 2. 2 C-ALS 系统 2. 2. 1 系统介绍和组成
（ Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100070，China） Abstract： In this paper，the theory of 3D laser scanning technology and its application in underground safety monitoring are stated，and the 3D laser scanning products at home and abroad and their characteristics aimed at mine safety monitoring are introduced． The trendency of 3D laser scanning system in mine safety monitoring field is analyzed． It is pointed out that the 3D laser scanning technology belongs to technological innovation and important mean in safety monitoring of underground cavity． With the rapid development of mining informatization，the 3D laser scanner will play an important role in the safety monitoring of underground mines． Key words： 3D laser scanning； underground safety monitoring； cavity monitoring system
第 63 卷 第 4 期
有 色 金 属（ 矿山部分）
2011 年 7 月
欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞欞
DOI：10. 3969 / j． issn． 1671-4172. 2011. 04. 001
三维激光扫描仪井下安全监测技术
张 达，王利岗
（ 北京矿冶研究总院，北京 100070）
摘 要：阐述三维激光扫描技术的原理及其在矿山井下安全监测中的应用情况，介绍国内外针对矿山安全监 测领域推出的三维激光扫描产品及其特点，分析并展望三维激光扫描仪在矿山安全监测领域的发展趋势，指出三 维激光扫描技术是井下空区安全监测的技术创新和重要手段。随着矿山信息化的快速发展，三维激光扫描仪必将 在矿山井下安全监测中发挥重要作用。
图 3 CMS 的操作方式 Fig． 3 The operating mode of CMS
扫描结束后，需要对 CMS 采集到的数据进行处 理，主要分 3 个步骤：
1） 采用 CMS 激光扫描获取空间点云数据，通过 数据传输线从控制箱接收扫描到的数据，控制箱将 点云数据以无线方式发送至手持终端，然后再将手 持终端上的点云数据下载到后期数据处理计算机 中；
时间，而 Φ 为相位差。
采用相位差法能够达到高的测量精度，但需要
好的反射光才能够测量，一般需要专用的合作目标
（ 如激光跟踪仪采用专用靶球） ，在空区监测应用中
难以使用。
目前三维激光扫描仪主要采用 TOF 脉冲测距
法（ Time of Flight） ，即计算激光的往返时间，这是一
种高速激光测时测距技术。采用脉冲测距法的三维
基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ 63 计 划 ） 重 点 项 目 （ 2008AA062101） 。 作者简介： 张 达（ 1980 － ） ，男，博士，自动化专业，主要从事矿山行 业高新技术研发工作。
区安全治理和资源回采提供准确的设计依据，已成 为保障矿区人民生命财产安全和矿山企业安全生产 的迫切需要［2］。
引言
留矿法、空场法等矿山资源开采方法的使用使 我国的许多矿山形成大量的采空区，如甘肃厂坝铅 锌矿、广东大宝山矿、广西大厂铅锌矿、黑龙江西林 铅锌矿、铜陵狮子山铜矿等。而且，长期以来许多民 营矿山私挖乱采形成的大量空区群形态不一、错综 复杂。另外，由于许多私营矿山的开采没有经过正 规设计或设计资料不全、遗失等，无法确定这些采空 区的位置和具体边界。受地压及爆破震动等影响， 这些未经处理的采空区会导致矿山开采状态恶化， 引起矿柱严重变形，相邻采场及巷道维护难度加大， 发生大面积冒落及地表塌陷等，这些已经成为目前 影响矿山生产安全的重要危害源之一［1］。因此，科 学地探明井下采空区的条件状态和空间形状，为空
广泛应用于全球各相关行业。空区激光自动扫描系 统（ C-ALS） 包括硬件和软件两大部分。硬件部分包 括探 头、钻 孔 摄 像 头、标 准 加 长 件、地 面 控 制 装 置、 Boretrak 探杆、绞架、通信电缆以及搬运箱等。其中 Boretrak 探杆是为了在磁性区域配置使用 C-ALS 而 专门设计的，因为在磁性区域无法通过使用指南针 来决定探头朝向，在这种场合下，Boretrak 探杆将为 C-ALS 提供最精确和稳定的定位方式［6］。C-ALS 系 统组件见图 4。
目前，对于采空区的探测，通常是首先查阅采矿 设计等相关资料并进行现场实地调查，然后利用现 有的各种物探方法进行探测，最后以钻孔探测的方 法进行验证。这些方法不仅成本高，而且只能得到 钻孔处的点数据。近年来新兴的地球物理探测方法 显示出较强的地质信息揭示能力，主要有探地雷达 法［3］、高密度 电 法［3 － 4］ 和 三 维 激 光 扫 描 法［5］ 等，其 中三维激光扫描法具有探测精度高、探测速度快、对 周边环境影响小等一系列优点，具有广阔的应用空 间。运用三维激光扫描这一新技术，可以精密测量 空区的空间性状和形态，通过实时数据分析，可以对 井下空区变形等进行监测，为低成本、快速、准确安 全地监测地下空区提供了可能。