美国拓普康三维激光扫描仪GLS-2000矿山安全监测应用代理
 

一、矿山安全监测
矿产资源在目前阶段是世界上发展社会经济的重要的基础资源，也是人民生活水平提升的物质基础之一。矿产资源具有稀缺性和*的特点，因此也是人类宝贵的自然财富。矿产资源的开发过程中不可避免的会伴生各种矿山灾害，比如地表塌陷、边坡滑坡、井下透水、瓦斯浓度过高等。因此，在矿山安全生产过程中必须遵循“安全*、预防为主、综合治理”的安全生产方针。而矿山安全监测也日益受到国家和企业的重视。
矿山安全监测的方法和手段很多，是一个复杂且庞大的系统工程。矿山安全监测涉及到不同种类的矿山如露天矿、地下矿、煤矿、金属矿等，矿山安全监测涉及到各种传感器，包括位移、应力、压力、气象、水文、气体浓度、热量等，涉及的仪器设备包括压力计、张力计、测量机器人、GNSS接收机、温度计、浓度计以及遥感卫星、无人机等[2]。矿山安全监测的方式也是综合各种传感器的信息加上趋势分析进行判断和预警。因此，在矿山安全监测中，一个集成多源传感器并能进行在线实时综合分析的安全监测平台是矿山安全监测中的重要技术支撑。随着物联网技术的发展，矿山安全监测平台也逐步朝着智能三维可视化的方向发展。

二、三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是一种利用激光测距原理进行快速、准确的空间三维测量的新技术[3]。该技术与传统手段相比，具有获取数据速度快、获取数据的精度高和获取的数据信息量丰富等特点。除了传统的空间坐标信息，三维激光扫描技术还可以获取目标对象的纹理信息和反射率信息。因此该技术的出现也被称为是测量技术从单点测量到面测量的一个飞跃[4]。此外，该技术在成果表现形式上，具有成果种类丰富的特点，因此该技术广泛的受到了各个行业和领域的关注。目前在传统测绘、文化遗产保护、工业设计、智慧城市、工厂设计、军事分析等领域都有了一定的研究和应用[5]。
三维激光扫描技术按照工作原理可分为脉冲式与相位式两类。脉冲式以点脉冲激光按照飞行时计算距离；相位式以连续的相位激光波通过相位差实现测距。由于三维激光扫描采集的点云速度快、数据量很大，形成的目标对象的表面密集的三维点集数据通常形象的被称作点云[6]。

1. 三维激光扫描在矿山领域的应用
三维激光扫描技术作为一种高效、高精度、非接触测量的数据获取手段，非常适用于作业环境恶劣、人员安全保障需求高的矿山领域，因此在矿山领域的很多业务中已经有了结合与应用。例如，基于三维激光扫描技术，可开展矿山地质建模与应用研究、数字矿山建设、矿山地形快速测量、矿山采空区测绘、矿山滑坡变形趋势评价、井下安全监测、矿山边坡变形监测、岩体节理信息提取、开采沉陷的应用、露天矿山储量测量、动态储量监测、矿山巷道变形监测、尾矿库稳定性分析等[7]。

2. 三维激光扫描应用于矿山安全监测平台
由于矿山安全监测涉及到多源多类的传感器，需要统一的数据处理和分析平台进行各种数据的采集、组织、管理、分析和预警。矿山安全监测对空间三维信息的需求也日益迫切,三维可视化的管理模式已经成为矿山安全监测平台的发展趋势。三维激光扫描技术应用于矿山安全监测平台，有两个方面的应用，一是本身作为数据来源之一可以进行诸如动态储量监测的分析，二是利用三维激光扫描技术获取速度快、数据精度高的特点，构建三维可视化矿山安全监测平台。

美国拓普康三维激光扫描仪GLS-2000
代理：深圳市鹏锦电子科技有限公司
 

三、案例研究
1. 研究区概况
本案例的研究对象是位于山西省太原市娄烦县的尖山铁矿，隶属于太原钢铁（集团）公司。尖山铁矿属于大型矿山，也是太钢重要的铁矿生产基地。该矿兴建于二十世纪九十年代，是国家“八五”重点建设工程项目，属易采、易选的大型山坡露天矿，设计服务年限40年。
本次研究以三维激光扫描技术为基础，获取尖山露天矿约3.6平方公里现状三维数据，并将矿区现有的测量机器人所观测的棱镜位置准确的标记在三维现状模型中，并以此构建三维可视化在线安全监测平台。
2. 数据采集

图1 TOPCON GLS-2000现场数据采集

本研究的外业数据采集工作采用了TOPCON GLS-2000 三维激光扫描系统。该设备扫描距离500米，视场角达到360°×270°，同时集成了两个内置500万像素数码相机，可同步获取矿区的真彩色三维纹理。在激光安全性方面，GLS-2000在远程模式时采用了人眼安全的3R级激光（中程模式为更安全的1级激光）。此外，TOPCON GLS-2000扫描仪的特点还包括：
1) 一体化设计；
2) 可全景扫描；
3) 内置双相机；
4) 可扫描棱镜；
5) 具有二次回波；
6) 内置两种激光工作模式；
7) 自动量测仪器高；
8) 支持多种点云拼接方式；
9) 可后视定向；
10) 内置5种扫描模式。
3. 数据处理
数据处理的流程包括了数据预处理和三维建模两个阶段。预处理阶段，原始扫描的点云经过去噪、拼接之后，形成矿区完整的统一坐标系下的点云数据。拼接时无需繁琐的拼接流程，使用TOPCON GLS-2000自带的后视定向功能，可进行一键式自动拼接。
三维建模阶段，利用后处理软件Point Cab进行表面封装并完成纹理映射。纹理映射所采用的照片采用扫描仪自带的内置相机获取的真彩色照片。经过上述处理后形成矿区现状的真彩色三维立体表面模型，经过现场检验整体模型精度达到3cm。以此三维立体表面模型为基础，将矿区范围内的测量机器人的监测棱镜按照真实地理坐标放置并以模型体现，从而形成整个矿区的150个监测棱镜在三维空间中的立体表达。

矿区现状DEM

矿区现状三维真彩色表面模型

矿区安全监测平台局部

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四、总结
目前数字矿山、智慧矿山的建设方兴未艾，其中很重要的一个建设内容就是矿山的安全监测。随着监测手段的多样和监测传感器的丰富，构建基于多源传感器的统一矿山安全监测平台是安全监测的重要课题，而平台的三维可视化已经成为趋势。
三维激光扫描技术具有获取速度快、数据成果精度高、作业方式安全性高等特点，在矿山领域的过往研究表明，三维激光扫描技术在矿山领域有广泛的适用性。本文为三维激光扫描技术在矿山安全监测平台中的的应用做了初步的实证研究。
4. 成果
利用WebGL技术构建跨平台的在线三维矿山安全监测平台，将上述三维模型作为平台展示的基础，将传感器模型在三维空间中立体展现，并通过页面定制，实现传感器数据的实时接入、显示和分析。同时页面定制保留了丰富的可扩展性，可方便今后在此基础上接入其他传感器以进一步实现多源数据的综合分析。
基于三维激光扫描技术构建的在线矿山安全监测平台，实现的主要功能包括：整个矿区的实时浏览三维场景、可叠加矢量数据进行三维可视化表现、属性数据支持和属性数据查询、数据条件定位查询（根据查询条件，自动定位目标查询物）、实时的传感器数据显示、综合分析、超限预警等。该平台可整合矿山基础数据资源，推进数字矿山和智慧矿山建设，实现决策管理数字化、可视化，可提高矿山安全和处置突发事件的能力。