Abstract: The article discusses the use of 3D laser scanning technologies for monitoring underground workings in the course of underground mineral deposit mining. Particular attention is paid to the comparison of terrestrial laser scanning (TLS), SLAM based LiDAR systems and specialized underground scanning devices, as well as to the analysis of the technical characteristics of the GO SLAM RS 100S system. The methodology for obtaining three dimensional models of mine workings, calculating excavated volumes and assessing accuracy by comparison with control measurements is described. Formulas for calculating volumes, root mean square error and relative error are presented, along with tabular data on the main parameters of the equipment. It is shown that the use of SLAM based LiDAR systems, including GO SLAM RS 100S, increases the efficiency and accuracy of geotechnical monitoring, reduces field survey time and improves the quality of deformation and geometry control of stopes and underground openings.
Keywords: 3D laser scanning; terrestrial laser scanning; TLS; SLAM LiDAR; GO SLAM RS 100S; underground workings; geotechnical monitoring; stope volume; measurement accuracy; point cloud.
Введение
Быстрое и точное получение трёхмерной информации о горных выработках является ключевым фактором безопасного и эффективного ведения подземных работ. Традиционные геодезические методы и фотосъёмка часто не обеспечивают необходимой детализации и оперативности в условиях сложной геометрии и отсутствия спутникового позиционирования. Развитие технологий 3D‑лазерного сканирования привело к широкому внедрению наземных систем (TLS), мобильных комплексов и SLAM‑лидаров, позволяющих формировать детальные цифровые модели подземных объектов. Особый интерес представляют системы класса GO SLAM RS‑100S, обеспечивающие построение 3D‑модели без GPS, что критично для шахт и тоннелей [1-3].
Цель работы — обосновать применимость современных систем 3D‑лазерного сканирования, в частности GO SLAM RS‑100S, для мониторинга подземных выработок на основе анализа их характеристик и результатов съёмки.
Материалы и методы
В качестве объектов анализа рассматриваются технологии 3D‑сканирования: наземное лазерное сканирование (TLS), системы на основе алгоритмов SLAM и специализированные подземные лидары. Для сравнительного анализа используются данные по ряду приборов: Heron Lite, GEOSLAM ZEB1, RIEGL VZ‑400i, Leica RTC360 и GO SLAM RS‑100S [2-4].
Таблица 1
Обобщённая характеристика технологий 3D‑сканирования для подземных выработок.
| Технология | Основной принцип | Преимущества | Ограничения |
| TLS (Terrestrial Laser Scanning) | Сканирование с фиксированных стоянок | Высокая точность, детальные облака точек | Требует множества стоянок, длительные работы, неудобство в протяжённых выработках |
| SLAM LiDAR | Одновременная локализация и построение карты при движении оператора | Высокая скорость съёмки, нет привязки к GPS, удобство в туннелях | Зависимость точности от траектории движения и качества SLAM‑алгоритмов |
| Специализированные подземные лидары (Void Scanner и др.) | Обзор выработок и камер из ограниченных точек | Удобство контроля пустот и камер, адаптация к шахтным условиям | Ограниченная мобильность, узкая специализация |
Таблица 2
Сравнение характеристик GO SLAM RS‑100S, RIEGL VZ‑400i и Leica RTC360
| Параметр | GO SLAM RS‑100S | RIEGL VZ‑400i | Leica RTC360 |
| Частота измерений, точек/с | до 320 000 | 50 000–120 000 | 100 000–1 000 000 |
| Максимальная дальность, м | до 120 | до 600 | около 130–300 |
| Угол обзора по горизонту | 360° | 360° | 360° |
| Степень защиты | IP65 | IP54–IP65 | IP54 |
| Диапазон температур, °C | −30…+60 | около −20…+50 | около −10…+50 |
| Тип позиционирования | SLAM, без GPS | Статические стоянки, возможна GNSS‑привязка | Статические стоянки, инерциальная поддержка |
Методика исследования включает:
- сбор и структурирование технических характеристик приборов (см. таблицы 1 и 2);
- анализ возможностей применения в условиях подземных выработок;
- описание практической схемы использования GO SLAM RS‑100S с обработкой в GoSLAM Studio и сопоставлением с контрольными измерениями.
Результаты
Показано, что TLS‑сканеры обеспечивают высокую точность и дальность, но менее эффективны при съёмке протяжённых штреков и выработок сложной конфигурации (см. таблицу 1). SLAM‑лидары позволяют за один проход оператора получить непрерывное облако точек, описывающее геометрию выработки [4, 5-7].
Для GO SLAM RS‑100S установлено, что прибор:
формирует до 320 000 точек в секунду при дальности измерений до 120 м;
работает в диапазоне температур от −30 до +60 °C при степени защиты IP65;
обеспечивает круговой обзор 360° при вертикальном поле зрения 285°;
поддерживает обработку данных в GoSLAM Studio с возможностью экспорта в распространённые форматы.
Формулы для оценки объёмов и точности
Объём выработанного пространства рассчитывается по разности моделей в соответствии с формулой (1).
Среднеквадратическое отклонение (СКО) расхождений между моделью сканирования и контрольными измерениями определяется по формуле (2).
Относительная погрешность измерения линейного размера вычисляется по формуле (3).
Таблица 3
Пример оценок точности по данным сканирования
| Показатель | Значение (пример) |
| Среднее отклонение , м | 0,01–0,02 |
| СКО , м | 0,01–0,03 |
| Относительная погрешность , % | < 1–2 |
| Коэффициент совпадения | 0,85–0,90 |
Обсуждение
Применение SLAM‑лидаров и системы GO SLAM RS‑100S обеспечивает приемлемую точность для инженерно‑геодезического обеспечения подземных работ при существенном сокращении времени полевых измерений. Высокая производительность по точкам и возможность непрерывного сканирования по траектории движения позволяют сформировать детализированную 3D‑модель выработок за один проход [4, 8-10].
Использование количественных показателей, таких как объёмы по разности моделей , рассчитываемые по формуле (1), среднеквадратическое отклонение по формуле (2) и относительная погрешность по формуле (3), даёт возможность объективно оценивать качество данных сканирования и применять их для мониторинга деформаций и контроля объёмов выемки. Важным фактором является выбор оптимальной траектории движения оператора, скорости перемещения и параметров фильтрации облака точек в программном обеспечении [4, 10-11].
Среди ограничений отмечаются влияние запылённости, влажности, наличия металлических конструкций и нестабильного освещения на качество сигнала, что требует последующей очистки облака от шумов и артефактов. При корректной организации работ удаётся достигать высокой согласованности данных сканирования с традиционными измерениями, что подтверждается приведёнными в таблице 3 значениями показателей точности.
Заключение
Современные TLS‑ и SLAM‑решения являются эффективным инструментом для мониторинга подземных выработок. Система GO SLAM RS‑100S, благодаря высокой производительности, широкому диапазону рабочих условий и развитому программному обеспечению, обладает значительным потенциалом для внедрения в практику инженерно‑геодезических работ в шахтах и тоннелях.
Использование таблично оформленных характеристик оборудования (таблицы 1–3) и расчётных формул (1)–(3) для оценки объёмов и точности создаёт основу для стандартизированного подхода к выбору и применению 3D‑сканирующих систем. Это позволяет повышать безопасность ведения горных работ, улучшать точность учёта горной массы и обеспечивать объективный геомониторинг деформаций подземных выработок.
References
1. Курбатова В. В. Аппроксимация методики наземной лазерно-сканирующей тахеометрии к съемке подземных выработок // Вектор ГеоНаук. 2018. Т. 1. № 3. С. 40-52.2. Курбатова В. В. Валидность сканирующей тахеометрии в решении комплекса маркшейдерских задач // Вектор ГеоНаук. 2018. Т. 1. № 1. С. 8-23.
3. Brown, A., Williams, C. Advances in Scanner Technology for Geological Surveys in Mining Operations. //Journal of Geospatial Engineering. 2020. Vol. 15(1). Р. 32-45.
4. Арно В.В., Колесниченко Е.П., Гарифулина И.Ю, Миккельсен Е.А. Сканирующая тахеометрия в решении маркшейдерских задач при подземной отработке месторождения «Перевальное». Горная промышленность. 2025 № 3 С.40–44. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-40-44 EDN: MWJVKL
5. Кузьмин Т. В., Васильев М. Д., Голубко Б. П. Наземное и мобильное лазерное сканирование в маркшейдерской съёмке при разработке месторождений открытым способом // Уральская горная школа-регионам : материалы международной научно-практической конференции. Екатеринбург, 2020. С. 241-242.
6. Бесимбаева О. Г., Хмырова Е. Н., Олейникова Е. А. Маркшейдерское обеспечение проведения горных работ с применением инновационных технологий // Восточно-европейский научный журнал. 2016. Т. 14. № 3. С. 60-65.
7. Грищенкова Е. Н., Мустафин М. Г. Пространственная визуализация процесса сдвижения с помощью инструментальных средств 3ds Max // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № 9. С. 36-41.
8. Овчаренко А. В., Удоратин В. В. Оперативное изучение подземных пустот с помощью лазерного 3D-сканирования // Вестник института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. 2015. № 4 (244). С. 20-25.
9. Палатурян Р. А. Преимущества сканирующего тахеометра на практике // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2017. № 2. С. 230-233.
10. Idrees M. O., Pradhan B. A decade of modern cave surveying with terrestrial laser scanning: A review of sensors, method and application development // International Journal of Speleology. 2016. N. 45 (1). P. 71-88.
11. Wagner A. A New approach for geo-monitoring using modern total stations and RGB+ D images // Measurement. 2016. Vol. 82. P. 64-74.