基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法和系统与流程

1.本技术涉及到领域，具体而言，涉及基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法和系统。


背景技术：

2.传统的矿山地压分析方法一般采用的是基于地压监测数据，采用统计学方法与岩体破坏机理与规律进行地压灾害预警。传统的矿山地压响应分析方法是基于岩石室内破坏试验研究规律，从岩石节理裂隙的闭合、发育、扩展乃至宏观破坏的整个发生过程出发去理解岩石破坏机理，然后应用到矿山地压活动监测当中。传统方法认为矿山的地压活动也会呈现出和岩石室内破坏试验相同的发生过程和现象，进而基于统计数据设置相关的预警阈值进行地压灾害监测预警分析。
3.发明人发现：上述背景技术方法没有考虑矿山实际情况，矿山的围岩实际处于非常复杂的应力场中，既有自重应力也有构造应力、同时受到爆破扰动作用不断进行地应力调整。矿山采空区冒顶、垮塌、岩爆、断层活化等地压灾害发生的背后主要原因是由于采空区导致的，采空区的尺寸、分布特征对于应力集中或释放发挥了关键性作用。传统的地压分析方法没有考虑采空区对地压活动的影响，仅从岩石破坏发生一般性规律出发进行地压灾害监测与分析，实际上的应用效果是不理想的。
4.矿山一般采空区现状的勘察和形态绘制是通过全站仪的方式进行描点连线并粗略的绘制出采空区大概的形态，与实际情况相差比较大，不能全面的反映出采空区的形态特征，进而难以和地压监测系统进行综合分析。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法和系统，以至少解决现有技术中通过全站仪对采空区进行描绘所导致的与实际情况相差比较大的问题。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法，包括：获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型；获取地压监测系统中的传感器坐标数据以及巷道的坐标数据；将所述采空区中的三维模型中使用的坐标数据转换成所述地压监测系统中的三维坐标数据；将坐标数据转换后的所述采空区的三维坐标模型显示在包括所述传感器以及所述巷道的三维模型中。
7.进一步地，获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型包括：通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描得到多个激光云点；根据所述激光云点进行建模得到所述采空区的三维模型。
8.进一步地，获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型包括：获取所述采空区的状态；在通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描之后得到所述三维模型的情况下，在所述三维模型中对所述采空区的状态进行标识。
9.进一步地，所述采空区的状态包括以下至少之一：开挖一部分、全部开挖完毕、填充一部分、全部填充完毕、待开挖。
10.根据本技术的另一个方面，还提供了一种基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理系统，包括：第一获取模块，用于获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型；第二获取模块，用于获取地压监测系统中的传感器坐标数据以及巷道的坐标数据；转换模块，用于将所述采空区中的三维模型中使用的坐标数据转换成所述地压监测系统中的三维坐标数据；显示模块，用于将坐标数据转换后的所述采空区的三维坐标模型显示在包括所述传感器以及所述巷道的三维模型中。
11.进一步地，所述第一获取模块用于：通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描得到多个激光云点；根据所述激光云点进行建模得到所述采空区的三维模型。
12.进一步地，所述第一获取模块用于：获取所述采空区的状态；在通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描之后得到所述三维模型的情况下，在所述三维模型中对所述采空区的状态进行标识。
13.进一步地，所述采空区的状态包括以下至少之一：开挖一部分、全部开挖完毕、填充一部分、全部填充完毕、待开挖。
14.根据本技术的另一个方面，还提供了一种存储器，用于存储软件，所述软件用于执行上述的方法。
15.根据本技术的另一个方面，还提供了一种处理器，用于运行软件，所述软件用于执行上述的方法。
16.在本技术实施例中，采用了获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型；获取地压监测系统中的传感器坐标数据以及巷道的坐标数据；将所述采空区中的三维模型中使用的坐标数据转换成所述地压监测系统中的三维坐标数据；将坐标数据转换后的所述采空区的三维坐标模型显示在包括所述传感器以及所述巷道的三维模型中。通过本技术解决了现有技术中通过全站仪对采空区进行描绘所导致的与实际情况相差比较大的问题，从而提高了采空区描述的精确程度并且能够将采空区与地压处理一并进行三维显示，为后续的分析提供了数据基础。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本技术实施例的通过三维激光扫描仪扫描得到的采空区三维模型的示意图。
19.图2是根据本技术实施例的矿山地压监测系统结构拓扑图。
20.图3是根据本技术实施例的数据融合示意图。
21.图4是根据本技术实施例的数据融合分析的流程图。
22.图5是根据本技术实施例的基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法的流程图。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
24.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
25.在本实施例中提供了一种基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法，图5是根据本技术实施例的基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法的流程图，如图5所示，该流程包括如下步骤：
26.步骤s502，获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型。
27.例如，通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描得到多个激光云点；根据所述激光云点进行建模得到所述采空区的三维模型。
28.在该步骤中，还可以增加采空区的装填，可选地，获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型包括：获取所述采空区的状态；在通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描之后得到所述三维模型的情况下，在所述三维模型中对所述采空区的状态进行标识。例如，所述采空区的状态包括以下至少之一：开挖一部分、全部开挖完毕、填充一部分、全部填充完毕、待开挖。
29.步骤s504，获取地压监测系统中的传感器坐标数据以及巷道的坐标数据。
30.步骤s506，将所述采空区中的三维模型中使用的坐标数据转换成所述地压监测系统中的三维坐标数据。
31.步骤s508，将坐标数据转换后的所述采空区的三维坐标模型显示在包括所述传感器以及所述巷道的三维模型中。
32.通过本技术解决了现有技术中通过全站仪对采空区进行描绘所导致的与实际情况相差比较大的问题，从而提高了采空区描述的精确程度并且能够将采空区与地压处理一并进行三维显示，为后续的分析提供了数据基础。
33.考虑到矿山一般采空区现状的勘察和形态绘制是通过全站仪的方式进行描点连线并粗略的绘制出采空区大概的形态，与实际情况相差比较大，不能全面的反映出采空区的形态特征，进而难以和地压监测系统进行综合分析。在本实施例中提出一种通过三维激光扫描仪对采空区进行形态探测，根据生产进度同步更新采空区模型，并结合地压监测数据进行综合分析预警。
34.本实施例中的基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理方法突破了传统的地压分析方法，将影响矿山地压灾害关键的诱发因素引入到地压监测数据分析中，既可以提高地压灾害预警的准确率，同时也可以找到地压灾害发生的原因，为地压灾害的治理提供了方向。下面对结合附图对本实施例进行说明。
35.第一步，采空区探测
36.矿山开采的本质就是通过爆破、机械开挖等手段将矿石从地底下搬运出来，而矿石搬运出来后就会留下采空区，采空区要么通过崩落方式进行处理、要么通过充填方式进行处理或永久留存采空区的方式进行处理。采空区无论采用哪种方式进行处理，都会导致
地压活动发生较大的变化，因而弄清楚采空区的形态和分布特征就非常重要。
37.三维激光扫描仪是一种新一代的空间测量手段，其原理是通过激光器发射激光束的方式进行距离探测，而三维激光扫描是通过激光器旋转的方式实现360
°
扫描，可以快速扫描出封闭空间的形态。三维激光扫描出来的是大量的激光点云，还需通过专业的点云处理软件进行点云建模，如图1所示就是通过三维激光扫描仪扫描得到的采空区三维模型。
38.利用三维激光建模的方式有很多种，例如，在本实施例中提供了一种基于扫描激光的大尺度三维地形建模方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)首先采用安装在移动机器人平台上的扫描激光对周边环境进行感知，并通过坐标变换将原始激光数据转化为三维点云；(2)其次采用中值滤波方法对点云进行预处理，并构建八叉树结构完成数据的存储；(3)然后采用了基于高斯混合模型的概率化方法对数据进行融合处理，以实时建立地形环境模型；(4)最后对地形模型中存在的遮挡区域进行检测和处理以进一步提高模型精度。
39.所述步骤(1)具体为：首先采用安装在移动平台上的二维扫描激光对周围环境进行扫描以获取环境数据；其次采用卡尔曼滤波的方法利用里程计和gps数据对移动平台进行融合定位，以获得移动平台的全局坐标；最后在移动平台的定位和激光对环境扫描的基础上，结合二维扫描激光在移动平台的相对位姿将扫描激光的数据转化为三维点云。
40.所述步骤(2)具体为：首先对点云的采样点构建权值窗口，通过中值滤波滤除激光的孤立点和混合像素干扰；然后采用八叉树的数据结构对激光的数据进行存储，以实现海量点云数据的压缩存储。
41.所述步骤(3)具体为：首先对传感器进行概率化建模，构建高斯描述的传感器模型，从而将传感器坐标系中的测量数据转化为全局坐标系中的高程估计；然后采用高斯分布的3σ值作为不确定性边界进行高斯关联实现全局高程估计信息关联到网格；最后通过构建高斯分布间的马氏距离对地形进行分类更新。
42.所述步骤(4)具体为：首先根据传感器测量时间和空间上的相关性，结合移动平台本身的机械性能特征和越障能力，采用局部窗口检测的方法对遮挡区域进行检测；然后对遮挡区域做进一步的处理以进一步提高地形模型的精度。
43.相对于传统的全站仪测量采空区，三维激光扫描仪扫描效率有了非常大的提升，扫描一个采空区三维激光扫描仪需要5分钟的作业时间，而传统的全站仪需要2-3天的时间从各个角度去测量控制点，然后将点连成剖面线，最后通过剖面线连接成三维模型。
44.第二步，地压监测系统的建立
45.矿山地压监测技术一般分为传统的应力位移点监测技术和新一代的微震监测技术，两者的区别是应力位移点监测是一种单点监测方式，有效监测范围在20m以内，需要安装在采空区里面才能监测到地压变化情况，而微震监测技术是一种区域性、大范围的监测手段。对于矿山来说一般优先建立微震监测系统对整个矿区的地压活动进行覆盖式监测，在局部区域布设一些应力位移监测手段进行补充监测。
46.地压监测系统由传感器、采集基站、地表采集服务器、采集软件和数据处理分析软件组成，传感器和采集基站安装在井下，其中传感器需要通过钻孔的方式安装钻孔里面与围岩进行耦合，采集基站通过线缆与传感器进行连接采集信号，采集基站通过有线线缆将信号传输到地表服务器中，在地表服务器中安装采集软件和数据处理分析软件。如图2所示是典型的矿山地压监测系统结构拓扑图。
47.地压监测系统是一种实时在线式监测手段，尤其是微震监测系统，微震监测系统是基于岩石声发射原理研发一种针对岩石微破裂活动发生过程信号捕捉的一种监测技术，该技术可以实现每秒钟10000次采样，因而可以捕捉到矿山井下各类微小的振动信号。通过对各类信号的识别、分类和时空演化规律统计分析，结合岩石破坏机理进行灾害趋势分析和预警。
48.第三步，采空区三维模型数据与地压监测系统数据融合
49.三维激光扫描得到的采空区三维模型可以保存为dxf、surpac、datamine、str、3dmine、dmf等格式文件，这些格式的文件可以导入目前各类三维软件中，对于不同的地压监测系统可以选择对应的格式的文件。此外三维模型数据需要与地压监测系统传感器坐标数据、巷道坐标数据进行统一融合，一般通过三维软件进行坐标转换完成空间统一，如图3所示。
50.对于采空区三维模型数据需要根据矿山的生产进度进行定期的更新导入工作，比如本月完成了3个采场的开挖工作，那么就需要安排测量人员携带三维激光扫描仪到这3个采场的入口或联络通道架设三维激光扫描仪进行采空区探测，在完成井下的采场采空区探测后需要在地表进行扫描数据处理和分析的工作，通过对爆破开采之后的采场开挖情况进行评估，如果出现了超挖或欠挖的情况，那么在导入三维模型到地压监测系统中之后，对于这些超挖或欠挖的位置要进行针对性的地压监测数据观察和分析。
51.对于地压监测系统需要矿山测量人员将地压监测传感器的安装位置的坐标信息导入到地压监测系统中并进行编号，一般按照所处采场位置的编号进行类似编号，便于分析人员快速定位到对应采场位置。基于传感器的坐标信息，那么地压监测系统监测到的信号也会携带坐标信息，进而这些信号可以通过三维坐标在空间上与采空区三维模型进行统一融合分析，分析人员可以在同一个三维空间中观察到地压监测实时信号也可以观察到附近采空区形态特征。
52.第四步，基于空区模型的地压响应分析方法
53.通过第一步到第三步的准备工作，第四步开始进行数据的融合分析工作，如图4所示分析方法流程图。
54.首先，将导入的采空区模型状态进行识别和划分，如开挖一部分、全部开挖完毕、充填一半、全部充填完毕以及未开挖的矿柱模型也要进行标记；
55.其次，基于矿山地质结构、采场盘曲划分现状和采空区分布情况进行空间过滤体划分，例如对于3个以上连续的采空区需要划分出独立分析空间单元出来，对于地质结构断层区域也需要划分出独立的分析空间单元出来，以及对于隔离矿柱区域也需要划分出独立的分析空间单元出来；
56.再其次，对地压监测系统的数据进行处理，剔除掉噪声信号、爆破信号、机械振动信号，留下微震信号(真正与岩石破裂相关的信号)，完成微震信号的震源参数计算，震源参数包括岩石微破裂发生的空间位置、发生时刻、发生的能量大小等。基于独立的分析空间单元，可以对监测到微震信号进行空间过滤和聚类分析，将相同空间的信号进行归类单独进行针对性的统计分析工作。
57.最后，对于采场采空区独立分析空间单元内的微震信号发生频率、释放的能量进行时空规律分析，同时与地质结构断层区域和隔离矿柱区域的微震信号演化规律进行比对
分析，例如采场采空区区域由于存在大量的自由空间而且围岩没有支护导致这一区域成为矿山地压能量释放的主要区域，其特点是微震信号事件数量相对多、能量大，而且在爆破之后就会集中出现一波微破裂活动，而地质断层和隔离矿柱区域的微震信号数量少、一般是采空区出现了大能量释放的时候地质断层和隔离矿柱区域才会出现明显的地压活动情况。此外还可以通过地压应力云图的方式对采空区聚集的微震信号进行反演分析，得到地压灾害危险区域，为地压灾害预警提供直观的分析依据。
58.本实施例通过将三维激光扫描仪探测的采空区模型同步更新融合到地压监测系统中，进行地压灾害活动分析和预警，相对于传统的地压活动分析方法更加全面、准确的进行地压危险源位置确定和主要诱发因素分析和研究，其关键点在于如何通过点云建模、坐标转换、格式转换进行数据融合，并且通过空间过滤和岩石破坏信号聚类方法进行地压活动时空演化特征分析研究。
59.在本实施例中，提供一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行以上实施例中的方法。
60.上述程序可以运行在处理器中，或者也可以存储在存储器中(或称为计算机可读介质)，计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
61.这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤，对应与不同的步骤可以通过不同的模块来实现。
62.该本实施例中就提供了这样的一种装置或系统。该系统被称为一种基于空区扫描三维同步建模与地压响应处理系统，包括：第一获取模块，用于获取通过激光三维扫描仪对采空区进行扫描之后得到的采空区的三维模型；第二获取模块，用于获取地压监测系统中的传感器坐标数据以及巷道的坐标数据；转换模块，用于将所述采空区中的三维模型中使用的坐标数据转换成所述地压监测系统中的三维坐标数据；显示模块，用于将坐标数据转换后的所述采空区的三维坐标模型显示在包括所述传感器以及所述巷道的三维模型中。
63.该系统或者装置用于实现上述的实施例中的方法的功能，该系统或者装置中的每个模块与方法中的每个步骤相对应，已经在方法中进行过说明的，在此不再赘述。
64.例如，所述第一获取模块用于：通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描得到多个激光云点；根据所述激光云点进行建模得到所述采空区的三维模型。
65.又例如，所述第一获取模块用于：获取所述采空区的状态；在通过所述激光三维扫描仪对所述采空区进行扫描之后得到所述三维模型的情况下，在所述三维模型中对所述采空区的状态进行标识。
66.通过上述实施例，可以实现三维可视化分析地压活动，相对于传统的抽象的数据分析，地压活动可以以直观的方式进行呈现，对于非专业人员也可以理解地压活动或灾害分布情况和演化趋势。通过将采空区模型导入的分析，可以为数据分析人员找到地压灾害发生的原因，进而为矿山优化开采工艺、增强围岩支护、充填时机提供有效的指导意见，具有很好的推广应用价值。
67.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。