合作伙伴实测 | 灵光 L 系列探秘地下矿洞

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地下空间三维数字化

一、矿洞测量的复杂性与挑战

矿洞是人类为开采地下矿产资源而挖掘的地下空间,主要用于提取金属、非金属等矿产资源。矿洞环境通常地形复杂,开采活动频繁,且存在诸多安全隐患。其内部常存在:

  • 垂直高差超百米的作业竖井
  • 受地质活动持续变形的巷道
  • 积水暗河形成的动态水文环境

为了保障矿产生产的安全进行,对矿洞巷道断面进行精确测量和分析显得尤为重要,然而,传统的测量方法不仅耗时耗力,且在复杂环境中存在较大风险。因此,如何获取高精度的测量数据,成为矿洞规划和安全管理的核心需求。

地下矿洞内黑暗岩壁与碎石巷道,作业环境复杂
地下矿洞内黑暗岩壁与碎石巷道,作业环境复杂

二、SLAM:开启地下空间三维数字化

SLAM 技术,作为一种利用激光雷达、相机、惯性测量单元等传感器实现环境感知和自主导航的技术,可实现地下无 GPS 信息空间的数字化,正逐渐成为矿洞测量的新宠。相较于传统测量方法,SLAM 技术具有显著优势:

  • 高效快速:通过激光雷达设备迅速捕捉矿洞区域的地形和物体信息。
  • 非接触式测量:无需与物体或地表进行物理接触,通过激光雷达设备实现高度精确的测量,提高了测量的安全性和灵活性,降低了潜在风险。
  • 高精度和全面性:SLAM 技术能够提供高精度的数据,以及对地形和物体的全面覆盖,为地质分析、开采规划和监测提供了有力支持。
作业员手持 SLAM 扫描仪在矿洞洞口采集数据
作业员手持 SLAM 扫描仪在矿洞洞口采集数据

三、SLAM 在石灰石矿洞扫描中的应用

本次扫描地点位于粤东某石灰石场地下矿洞。石灰石作为重要的非金属矿产资源,广泛应用于建筑、化工等领域。客户此前使用架站式全站扫描仪 Trimble SX10,通过作支导线方式,架百余站扫描矿洞三维模型,从而获取地下矿洞的带绝对坐标的点云数据,并依据点云模型用于 Mesh 建模。

但在高差大陡壁的竖井和地表径流渗入内部形成的矿洞内湖等复杂环境中,架站式扫描仪无法完全覆盖整个矿洞,为此,客户引入了移动式三维扫描仪——灵光 L2 Pro,对复杂场景进行补充扫描。

扫描前作业人员在矿洞巷道进行现场勘测
扫描前作业人员在矿洞巷道进行现场勘测

扫描前期对矿洞现场作勘探

1、设备介绍:灵光 L2 Pro

灵光 L2 Pro 是其域创新自主研发的旗舰级手持三维激光扫描仪,具备实时建模、高精度、便携易用等特点,能快速获取地下矿洞的点云。其采用激光+视觉 Multi-SLAM 定位方式,不依赖三脚架或固定位置静态扫描,能够在复杂地形中边走边采集,扫描速度高达64万点/秒。设备支持实时图传,扫描过程中可通过手机端实时查看点云数据,确保数据采集的完整性和准确性。

灵光 L2 Pro 的硬件配置与实时点云效果介绍图
灵光 L2 Pro 的硬件配置与实时点云效果介绍图

设备参数

激光视场角360°x270°相对量测精度≤2cm
激光器等级Class 1/905nm绝对精度≤5cm
扫描点频32万/64万点每秒扫描距离120m/300m
储存容量1TB SSD视觉辅助定位支持
实时真彩点云支持实时 RTK 融合支持
相机传感器1英寸×2续航时间90分钟
像素48MP×2外壳材质铝合金
点云格式las手持端重量≤ 1.7kg
工作温度-20°~50°扫描方式手持/背包
防护等级IP54点云厚度≤ 2cm

2、外业测量工作流

设备初始化

在平整地面上启动,使设备初始化20秒,预热惯导。

灵光 L2 Pro 置于底座在土路面完成初始化预热
灵光 L2 Pro 置于底座在土路面完成初始化预热
作业员在矿洞内等待手持三维扫描仪完成初始化
作业员在矿洞内等待手持三维扫描仪完成初始化

控制点采集

事先在布设好的控制点贴反光贴,在扫描途径时,着重停留并重复扫描控制点。

作业员在矿洞地面测量控制点并用手机端确认
作业员在矿洞地面测量控制点并用手机端确认
手持激光扫描仪对准岩壁反光标靶重复采集
手持激光扫描仪对准岩壁反光标靶重复采集

矿洞内暗河扫描

乘坐移动木筏,边划船边扫描,通过手机端 LixelGo 连接灵光 L2 Pro,扫描数据快速图传,扫描情况实时反馈,拒绝漏扫,确保数据全面覆盖。

LixelGO 实时预览矿洞巷道点云与扫描进度
LixelGO 实时预览矿洞巷道点云与扫描进度
作业人员乘木筏在矿洞暗河中手持扫描仪作业
作业人员乘木筏在矿洞暗河中手持扫描仪作业
边划木筏边扫描暗河水面与两侧岩壁
边划木筏边扫描暗河水面与两侧岩壁
第一视角举起设备完成矿洞顶部岩壁点云扫描
第一视角举起设备完成矿洞顶部岩壁点云扫描

竖井扫描

扫描矿洞内竖井时,在保障人身安全的情况前提下,谨慎且不拖沓地完成扫描。

作业人员在矿洞竖井口附近查看支护结构
作业人员在矿洞竖井口附近查看支护结构
仰视竖井内部,背包作业员举起设备向上扫描
仰视竖井内部,背包作业员举起设备向上扫描
LixelGO 中按高程着色的矿洞整体点云预览
LixelGO 中按高程着色的矿洞整体点云预览

3、内业数据处理流

点云成果预览

矿洞河道整体三维点云俯视图,标注多个控制点
矿洞河道整体三维点云俯视图,标注多个控制点

河道整体点云成果

竖井整体点云斜视图,细长通道连接主洞体
竖井整体点云斜视图,细长通道连接主洞体

竖井整体点云成果

竖井内部点云特写,可见贴壁钢梯与横梁结构
竖井内部点云特写,可见贴壁钢梯与横梁结构

竖井内部点云成果

坐标转换

使用 Trimble RealWorks 点云配准模块中的地理坐标转换功能,根据已做好支导线控制点,戳中反光贴中心,输入至少三个绝对坐标,确保点云数据的绝对精度。

Trimble RealWorks 中启动地理坐标转换功能
Trimble RealWorks 中启动地理坐标转换功能
输入已知控制点坐标以完成点云坐标转换
输入已知控制点坐标以完成点云坐标转换

TRW 坐标转换

河道点云坐标转换的精度报告与控制点残差列表
河道点云坐标转换的精度报告与控制点残差列表

河道的转换误差为 4.848mm,精度良好

竖井点云坐标转换的精度报告与控制点残差列表
竖井点云坐标转换的精度报告与控制点残差列表

竖井的转换误差为 4.823mm,精度良好

点云融合

将河道和竖井的点云导入 SX10 的总成果内,手扫点云经绝对坐标的转换,点云间完美适配,无错层。

架站式扫描成果中按测站组织的矿洞整体点云
架站式扫描成果中按测站组织的矿洞整体点云

点云融合

河道区域点云嵌入前,总成果中部存在数据空缺
河道区域点云嵌入前,总成果中部存在数据空缺
河道点云嵌入后空缺补齐,与原成果无错层
河道点云嵌入后空缺补齐,与原成果无错层

河道点云嵌入前后导入图

竖井区域点云嵌入前,井筒位置为大片空白
竖井区域点云嵌入前,井筒位置为大片空白
竖井点云嵌入后洞体完整,斜巷结构清晰
竖井点云嵌入后洞体完整,斜巷结构清晰

竖井点云嵌入前后导入图

4、Mesh 模型生成与体积计算

通过 Trimble RealWorks 软件中的创建三角网模型,为矿洞生成 Mesh 模型,并使用 GeoMagic 进行后处理,最终计算出矿洞体积为114548.34m³。

在点云上启动三角网创建,用于点云转网格模型
在点云上启动三角网创建,用于点云转网格模型

矿洞 Mesh 模型

矿洞 Mesh 模型的体积计算结果窗口
矿洞 Mesh 模型的体积计算结果窗口

矿洞体积计算

四、总结:SLAM 在矿洞测量中的价值

SLAM 技术在此次矿洞测量中的应用,展现了其在高效性、安全性和精度方面的显著优势。通过移动式三维激光扫描技术,矿洞勘探和管理的效率得到了极大提升,尤其是在复杂环境下的测量任务中,SLAM 技术表现出了传统方法无法比拟的灵活性和可靠性。

未来,随着 SLAM 技术的不断进步,其在矿洞测量中的应用将更加广泛。通过科学合理的走位、小回环优化以及 IMU 惯导的稳定性能提升,SLAM 技术有望进一步释放其潜力,推动矿洞测量领域向更高精度、更高效率的方向发展。

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