沈向前，杜年春，吳 偉，朱潔霞，廖 超

（1. 中國有色金屬長沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410117；2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430072；3. 湖南省礦山安全智能化監(jiān)控技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410117）

近年來，基于無人機(jī)傾斜攝影測量和三維激光掃描的三維模型重建技術(shù)不斷發(fā)展，突破了傳統(tǒng)測量單點(diǎn)測量的限制，能夠快速精準(zhǔn)的獲取測量對(duì)象的三維坐標(biāo)信息，快速實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模，極大提高了工作效率，在城市地下空間與礦山采空區(qū)等相關(guān)工程中得到了應(yīng)用[1-9]。本文針對(duì)長沙某石灰石礦歷史遺留的地下采空區(qū)群精準(zhǔn)探測的問題，設(shè)計(jì)一種全方位一體化三維測量方案，快速建立礦坑周邊地上地下全方位一體化三維模型，通過模型獲得任意位置、任意角度的平剖面、立剖面，得到采空區(qū)的面積、體積、高度、跨度等空間三維參數(shù)，極大提高了采空區(qū)探測數(shù)據(jù)的可視化效果，為采空區(qū)的管理提供了技術(shù)支撐。

1 工程區(qū)域概況

長沙某石灰石礦礦坑位于坪塘大道西側(cè)，原為石灰?guī)r露天采礦的礦坑，礦坑頂縱向最長約為480 m，橫向最長約為450 m，礦坑底縱向最長約為390 m，橫向最長約為380 m。礦坑頂高程為46.76～65.71 m，礦坑底部海拔約為-63.02 m，礦坑底部現(xiàn)有的水域面積約為92 141 m2。礦坑的側(cè)壁因采礦形成了規(guī)模較大的采空區(qū)群，根據(jù)現(xiàn)場的情況，采空區(qū)主要分布在礦坑的北側(cè)、東北側(cè)及西側(cè)。為了利用土地資源，地方政府決定由開發(fā)商對(duì)此礦坑及地下采空區(qū)進(jìn)行開發(fā)，建設(shè)主題公園，亟需礦坑及周邊范圍內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為礦坑及采空區(qū)周邊地塊的改造設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。測區(qū)范圍Google 影像圖如圖1 所示，該礦山地下采空區(qū)面積較大，存在多個(gè)采礦通道，內(nèi)部洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且采空區(qū)內(nèi)諸多洞室淤積大量泥水，該區(qū)域人員、設(shè)備難以到達(dá)。由于開采的年代久遠(yuǎn)，缺乏地下采空區(qū)的歷史圖紙資料，給采空區(qū)探測工作增加了難度。

圖1 測區(qū)范圍Google影像圖

2 技術(shù)方案

2.1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦區(qū)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和實(shí)地探勘結(jié)果來分析，此范圍面積較大，采空區(qū)內(nèi)部礦道交錯(cuò)，且大部分區(qū)域蓄積了大量泥水，人員和設(shè)備較難到達(dá)。由于環(huán)境復(fù)雜，若使用單一的測量方式會(huì)有測量范圍、角度方面的限制，無法保證設(shè)計(jì)的精度要求。綜合項(xiàng)目區(qū)域的實(shí)際情況，為了獲取石灰石礦坑及采空區(qū)群上部地塊的地貌，同時(shí)快速采集石灰石礦坑的立面、體積、高度等信息，設(shè)計(jì)了地上地下全方位一體化三維測量方案，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。

圖2 一體化測量技術(shù)流程圖

通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對(duì)礦坑及周邊場地進(jìn)行航測，同時(shí)綜合使用固定式三維激光掃描儀和鉆孔三維激光掃描儀對(duì)采空區(qū)群進(jìn)行三維掃描，通過對(duì)獲取的航拍點(diǎn)云和三維點(diǎn)云進(jìn)行一體化三維建模，得到采空區(qū)一體化三維模型，為后續(xù)礦坑及采空區(qū)周邊地塊的改造設(shè)計(jì)、施工造價(jià)提供準(zhǔn)確的測繪資料。

2.2 平面控制網(wǎng)建立與數(shù)據(jù)采集

原石灰石礦的周圍布設(shè)有高等級(jí)的固定觀測點(diǎn)，根據(jù)測區(qū)范圍選取合適的已知點(diǎn)，利用GPS 接收機(jī)RTK測量模式測量后進(jìn)行七參數(shù)校正，使得無人機(jī)傾斜攝影測量與三維激光掃描儀的外業(yè)采集數(shù)據(jù)位于同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之下，方便后期的多源點(diǎn)云融合建模。

無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集使用大疆精靈4無人機(jī)，在測區(qū)范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)固、無遮擋的區(qū)域均勻布設(shè)像控點(diǎn)，用RTK進(jìn)行測量并記錄。本次航飛共測量了1.3 km2面積，共設(shè)置了43條航線，無人機(jī)的飛行高度設(shè)置為120 m，航向重疊度為80%、旁向重疊度70%。共拍攝1 992張影像，其中正射影像906張、傾斜影像1 086張，本次測量內(nèi)外業(yè)檢查均合格，內(nèi)業(yè)處理后的航拍點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 石灰石礦坑傾斜航拍點(diǎn)云圖

在人和設(shè)備能夠達(dá)到的地下采空區(qū)利用固定式三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)資料分析和現(xiàn)場勘察后，進(jìn)行測站的布設(shè)與站次的規(guī)劃，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定掃描起始站，在起始站選擇環(huán)境空曠的位置需要4 個(gè)球棱鏡，通過全站儀測量球棱鏡的地理坐標(biāo)，方便數(shù)據(jù)處理時(shí)引入高程系與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

項(xiàng)目中對(duì)于人員能夠到達(dá)的采空區(qū)，采用FARO Focus3D X330三維激光掃描獲取采空區(qū)的三維空間信息，其采用相位偏移技術(shù)，具有精度高、測量速度快、測量范圍廣、掃描距離長等特點(diǎn)，測距精度為1 mm@100 m、掃描范圍為360°×330°，掃描距離可達(dá)330 m。

由于礦內(nèi)采空區(qū)距離長、范圍廣，需要多次掃描并通過點(diǎn)云拼接將所有掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系下，共進(jìn)行5 d掃描、獲取106站掃描數(shù)據(jù)，在通過配套的點(diǎn)云處理軟件SCENE對(duì)多站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，三維激光掃描儀初站布設(shè)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 三維激光掃描儀初站布設(shè)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)

用固定式三維激光掃描儀完成可達(dá)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)三維點(diǎn)云結(jié)果，來判斷采空區(qū)的走向并確定地質(zhì)鉆孔的位置，再利用C-ALS鉆孔掃描儀[10]來采集人員無法到達(dá)的采空區(qū)的三維點(diǎn)云。C-ALS是具備用50 mm鉆探直徑就可以深入地下進(jìn)行采空區(qū)探測的三維激光掃描儀。該設(shè)備探頭直徑小，使用它可以沿鉆孔深入到難以接近的空穴、地下空間以及空腔內(nèi)。探針頭部集成的攝像頭可提供鉆孔內(nèi)部視野，供人員判斷有無障礙物以及是否下放到位。C-ALS的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙周掃描探頭，可以保證儀器能做球形360°掃描，以覆蓋整個(gè)空區(qū)，最大掃描距離150 m，C-ALS探頭整合了傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，來保證激光掃描點(diǎn)云定向和定位的準(zhǔn)確性。依據(jù)上述探測方法，完成對(duì)石灰石礦采空區(qū)群的探測工作。鉆孔掃描采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)展示如圖5所示。

圖5 鉆孔掃描采空區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3 一體化三維建模

對(duì)于礦山采空區(qū)的探測數(shù)據(jù)的可視化，一般是通過對(duì)三維掃描的點(diǎn)云進(jìn)行抽稀、然后使用Geomag?ic-Studio 等建模軟件進(jìn)行三維建模[11]，此方法處理速度快、模型數(shù)據(jù)量小、易于傳輸。上述方法僅對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行三維建模，由于缺乏地面的三維數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行對(duì)比分析，無法快速獲取采空區(qū)頂板距離地面的距離、采空區(qū)表面的地貌情況等信息。為了更好地展示石灰石礦采空區(qū)的探測效果，對(duì)無人機(jī)航測傾斜攝影影像數(shù)據(jù)和三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合三維重建，建立采空區(qū)地上地下一體化三維模型。使用Context-Capture 軟件進(jìn)行三維重建，大致流程如下：

1）新建項(xiàng)目，導(dǎo)入無人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)集，聯(lián)合傾斜影像和像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密和密集匹配，點(diǎn)云模型如圖6所示。

圖6 傾斜攝影測量三維模型

2）導(dǎo)入三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為.e57 或者.ptx，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系與無人機(jī)傾斜攝影像控點(diǎn)的坐標(biāo)系一致。

3）進(jìn)行聯(lián)合三維重建，通過密集匹配獲得的傾斜點(diǎn)云和三維激光掃描點(diǎn)云融合在一起進(jìn)行構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并進(jìn)行紋理映射，生成一體化三維模型。

經(jīng)過全方位一體化三維模型，極大提高了采空區(qū)探測數(shù)據(jù)的可視化效果，也更方便進(jìn)行后續(xù)的分析和設(shè)計(jì)，采空區(qū)一體化三維模型效果如圖7所示。

圖7 采空區(qū)模型底視圖

可以使用Bentley Descartes軟件直接加載采空區(qū)模型，進(jìn)行模型查看和分析，任意位置的剖面圖展示如圖8所示。

圖8 采空區(qū)模型剖面圖

3 數(shù)據(jù)分析

在完成石灰石礦坑周邊地下采空區(qū)的探測及三維建模后，可以精準(zhǔn)、快速地計(jì)算采空區(qū)的面積、體積、高度等空間信息。根據(jù)地下采空區(qū)的形狀和走向?qū)⑵浞譃?2 個(gè)片區(qū)并分別標(biāo)號(hào)，1～12 號(hào)采空區(qū)的范圍用不同的顏色表示，采空區(qū)探測結(jié)果如圖9 所示。使用Bentley Descartes軟件可對(duì)各個(gè)采空區(qū)的表面積和體積進(jìn)行測算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。也可在指定的位置進(jìn)行剖切，測算采空區(qū)跨度、頂板深度、底板深度等信息，如圖10所示。

圖9 采空區(qū)空間分布圖

表1 采空區(qū)表面積、體積測算

圖10 采空區(qū)剖面測量

4 結(jié) 論

老舊礦山地下采空區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分采空區(qū)人員、設(shè)備無法安全進(jìn)入，聯(lián)合FARO 地面式三維激光掃描儀和C-ALS 鉆孔三維激光掃描儀的采空區(qū)探測方案，能夠高效探測復(fù)雜的地下空采區(qū)群，并節(jié)約鉆探成本。再結(jié)合無人機(jī)攝影測量技術(shù)，設(shè)計(jì)采空區(qū)一體化三維測量方案，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影測量和三維激光掃描的優(yōu)勢互補(bǔ)，直觀的展示采空區(qū)地上、地下的空間位置關(guān)系，較好解決了采空區(qū)三維模型難以分析，無法有效指導(dǎo)采空區(qū)后續(xù)設(shè)計(jì)、治理的問題。

本方案可用于大部分礦山采空區(qū)、地下管廊、人防工程、隧道、溶洞等地下空間的精準(zhǔn)探測，但對(duì)于充滿水體或埋深超過120 m 的地下空間，由于無法使用三維激光掃描儀作業(yè)，故不適用。后續(xù)需要結(jié)合高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、電磁波CT 等工程物探方法開展進(jìn)一步研究，完善復(fù)雜采空區(qū)的探測方案和作業(yè)方法。