宋天宇 王燕
内蒙古金陶股份有限公司 内蒙古赤峰市 024327
摘要：在采用空场法或嗣后充填法开采的地下金属矿山，广泛分布着形态各异且空间规模不等的采空区。采空区的存在极易引发大规模透水、坍塌、冒落等灾害，致使矿山开采条件恶化，因此采空区是矿山亟需治理的危险源之一。由于地下采空区的位置、空间形态、规模往往异常复杂，在采空区处理过程中，实现空区三维形态的精准探测，可为制定安全、有效的采空区治理方案提供可靠依据。
关键词：采空区探测无人机三维激光扫描地下矿山
引言
三维激光扫描技术的推出，是在以往GPS空间定位系统基础上的一次技术突破，其直接打破了以往传统测量的方式，直接解决激光扫描的形式，可对大面积范围进行高分辨率扫描，并以此形成对象表明的三维坐标数据。近年来，三维激光扫描技术开始被广泛的运用在工程、地质地形测量、建筑和文物保护以及断面体积测量等多个方面。以往为常用的地形地质测量方式主要是CPS-RTK测图以及数字摄影等多种方式，而采用此类方式所需的工作量普遍较大，并且所在的地形较为险峻，通常对此类地区显得非常无力。而采用三维激光扫描，则能够对地表点实施高密度、高精度以及高速度的测量，加大减少外业工作时间，提升了测量工作的效率。
1金属矿山采空区的特征
由于矿体的形态规模以及采矿时所用方法存在的差异，这便形成了不同的采空区类型。然而，处理不同的采空区类型的方法也是有所差别的，以及它们的危害情况也不尽相同。通常可以将金属矿山的采空区分为三种基础类别，即崩落模式、空场式以及充填式的采空区，空场模式下的采空区则是这三种基础类别中的主要模式。从理论上分析，崩落法采空区在实际的生产过程中，由于金属矿山围岩的稳固特征，其发生崩落后便产生了采矿区。然而充填法这种模式，理论上是没有采空区的，它其实是在开挖矿房之后，短暂出现的一种采空区。在填充时未接顶的情况下，也会有一些剩余的采空区出现，当进行填充这些没有进行处理的采空区时，就形成了一种空场模式下的采空区。另外根据时间的久远，采空区也可以被划分为老采空区或者是新采空区。根据其贯穿地表的情况，也有明采空区和暗采空区。从形态上也将划分为点柱式采供区以及矿体原状模式采空区。目前的金属矿山行业，对于采空区的等别方面还未能确立出统一的标准。就国家安全监管总局在全国范围内的大中型矿山采空区的调查结果来看，绝大多数的采空区位于1万米之下，而有20%左右的采空区在1万米。这些采空区在体积方面占据一半以上，特别是3万米的采空区。而且这些采空区虽然数量很少，但体积却占其总量的绝大比例。
2三维激光扫描技术的原理分析
在采用三维激光扫描技术进行测量时，通常可直接利用光来测量对象表面的三维坐标，这样就能真正实现三维场景提取和重建的目的。一般完整化的三维激光扫描系统都必须具备激光测距系统、高精度动态差分定位系统以及高精度动态载体测量系统等。其最好是能够事先由激光脉冲管来进行脉冲信号的发射，并由此通过旋转棱镜来最终射向对应的目标，然后可借助探测器来对反射回的激光信号进行加以接收，并通过记录器来将全程产生的信号进行详细的记录，最终由此转换成数据信息的形式。具体要求测绘人员需通过数据信息加以识别，借助软件处理之后，最终实现建模的输出。
3无人机三维激光扫描技术在采空区探测中的优势
（1）能全面、精确地扫描采空区，获取的点云数据量更充分、完整，从而提高采空区模型的准确性和可靠性；（2）在探测过程中，测量人员始终位于安全区域，无需靠近或进入采空区，作业安全；（3）探测速度快，可在短时间内完整、高效、安全地完成采空区三维激光扫描作业。因此，无人机三维激光扫描技术在地下矿山采空区探测中将具有广阔的应用前景。（4）高清摄像。无人机上携带了彩色数字摄影机等高精密型数码成像式器材，能够获取清晰的全方位数字正摄像图，近景航拍精度可达亚米级，且所获取的影像可直接在系统中处理好，传输至地面控制系统，大大节省人力、时间成本，数据的准确性及精准度较高。
4无人机三维激光扫描应用的技术
4.1航线设计
矿山测绘中选择分辨率时，需对矿山地形条件、不同比例尺成图标准、基高比及测图等高举等信息展开综合分析，确保成像精度能与设计标准相符合，以此促进成像周期的减少。与传统人际测绘相比而言，无人机航测有着更小的设备体积，相应的也会缩小电池规格，会对单次航测面积与传感器像幅构成影响。选用的无人机如果为电驱型，整个测绘作业在其续航的影响下需要分多次进行，此时也就有必要合理划分露天矿山测绘区域。而在划分区域时，要确保航测布设与飞行路线之间的一致性，参照航测行高，控制分区地形高差不超过杭高的1/6，在维持平直航线的前提下，围绕跨度展开最大程度的区分，同时将矿山测绘区全部覆盖在内。
4.2数据的采集
采用三维激光扫描技术测量地形地质情况，首先需要进行野外数据的采集工作，具体首要针对测区范围内的环境实施严密的考察，从而以此来明确其扫描仪、标靶以及测站数的详细位置。同时需要大力保证其各个扫描站最终所获取的数据能够真实的反映出测量范围的完整区域，并且在测量的过程中，需要尽可能的减少相应测站数量，由此来降低原始数据量。此外，还需保证纹理数据和点云数据2种数据形式的同步获取，这样才能方便往后数据的匹配处理，并且还需要结合多种不同的比例尺需求来进行相应采样精度的选择，并以此实施逐站扫描的形式。
4.3像控点布设
通过像控点的严格控制，能够促进无人机航测精度的提高。具体而言，选择60cm直径的圆形像控点，同时像控点处用白石灰粉加以标记。控制航线间隔维持在1km左右，每个航线之间进行平高点的布置。无特殊情况时，航向、旁向两旁重叠范围内也要进行像控点的设置，确保共用性[5]。同时，也要将像控点设置在分区重叠部位，促进像控点利用率的提升。通过RTK设备的运用，检测各个像控点布置精度，反复测量2次并取均值当作标准点，以此为其提供整体性的精度保障。
4.4数据的预处理
对激光点云数据的处理方式具体包含了点云匹配、噪声消除、分割、坐标以及图像匹配等等。通过对多个站点的扫描能够将所获取的点云数据实施正确的匹配，然后可将其有效的统一到一个坐标系当中，这样才能方便对扫描目标实施定量化和建模分析。其匹配的过程主要采用2种方式：（1）直接将所扫描的同种规则形状目标当值匹配的公共点坐标，并将多站点的点云有效的统一到某个特定的坐标系当中。（2）结合GPS所测出的精确站点坐标，然后直接促使所有点云都可直接转换至固定的地理坐标系统当中。采用这种方式就能真正有效的获得点云所在的真实地理位置，从而更加便于其后期和其他遥感数据的协同分析。
结束语
综上所述，无人机三维激光扫描技术本身具有精度高、效率快以及扫描细致的特点，将其运用在地形测绘当中，能够极大降低工作人员们的工作强度，缩短操作时间，有效的提升整个测绘工作的效率，最终获得满意的效果。在地形测绘成图中应用无人机三维激光扫描技术，具体是对以往传统测绘工作的有效补充，因为该项技术真正具备其他测绘方式所无法进行测量的优势。
参考文献
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[2]邱建龙,魏杰,张红,褚衍玉.三维激光扫描技术在地下采空区探测中的应用[J].现代矿业,2019,35(11):194-197.
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