閆騰飛 李元輝 徐 帥 安 龍

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)地理坐標(biāo)定位方法

閆騰飛1,2李元輝1,2徐 帥1,2安 龍1,2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

針對現(xiàn)有的三維激光掃描系統(tǒng)采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法存在的設(shè)備移動困難，測量環(huán)境要求高，安裝拆卸工序繁瑣等問題，對三維激光掃描系統(tǒng)在地下采空區(qū)環(huán)境下的地理坐標(biāo)定位原理和定位方法進(jìn)行了研究，提出了一種基于三腳架支撐的輕便、簡捷、高效的坐標(biāo)定位方法。設(shè)計了一種現(xiàn)場試驗方案，對該方法的數(shù)據(jù)處理精度進(jìn)行驗證，并采用該方法對采空區(qū)進(jìn)行實地精準(zhǔn)探測。結(jié)果表明：①基于該方法獲得的數(shù)據(jù)模型與基于現(xiàn)有方法獲得數(shù)據(jù)模型在空間位置上具有很高的吻合度，2種模型間的體積差在工程精度范圍內(nèi)可忽略不計，基于三角架坐標(biāo)定位法具有與現(xiàn)有的坐標(biāo)定位方法具有基本一致的工程精度；②采用該方法獲得的探測數(shù)據(jù)構(gòu)建了采空區(qū)精確三維模型，能夠為采空區(qū)治理提供有價值的參考數(shù)據(jù)。上述研究結(jié)果進(jìn)一步表明，基于三腳架地理坐標(biāo)定位法具有設(shè)備搬運、組裝和拆卸簡便等優(yōu)點，有助于解決現(xiàn)有坐標(biāo)定位方法所存在的問題，對于提高采空區(qū)三維激光掃描的工作效率具有一定的效果。

采空區(qū) 三維激光掃描系統(tǒng) 多站掃描 地理坐標(biāo)定位

金屬礦山在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在使得礦山開采條件惡化，容易發(fā)生諸如礦柱變形、破壞，甚至誘發(fā)井下大面積冒落、巖移、地表塌陷和突水等災(zāi)害，對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]，因此，有必要及時對采空區(qū)進(jìn)行治理。準(zhǔn)確獲取采空區(qū)三維空間形態(tài)、分布和體積等空間信息，對實現(xiàn)采空區(qū)的監(jiān)測與治理具有重要意義。采空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)(Cavity Monitoring System,CMS)是一種非接觸主動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光作為測量媒介，可進(jìn)行大面積、高密度、大空間的數(shù)據(jù)采集，可真實描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，與傳統(tǒng)測量方法相比，優(yōu)勢較為明顯。由于采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)的圍巖和塌方體等會對在不同程度上遮擋激光束，若利用單一測點進(jìn)行采空區(qū)探測，則容易存在探測盲區(qū)，因此，有必要在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行多站點探測。進(jìn)行采空區(qū)多站點探測時，需要對各站點點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點云拼接，精確逼近采空區(qū)形態(tài)。CMS通過將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中來實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的有效拼接，即通過定位出架設(shè)于設(shè)備長支撐桿上的參照靶標(biāo)獲得各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于CMS支撐桿由一些小桿件組裝而成，在進(jìn)行采空區(qū)測量之前，對該類桿件的搬運和組裝往往會消耗較多的人力和時間，降低采空區(qū)掃描的工作效率[2-4]。因此，有必要對CMS現(xiàn)有的采空區(qū)定位方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，對于及時進(jìn)行采空區(qū)監(jiān)測治理，確保礦山安全高效生產(chǎn)具有一定的意義。

1 空區(qū)探測

1.1 三維激光掃描原理

CMS主要由掃描頭、支撐桿架、手持式控制器和電池箱組成。在進(jìn)行采空區(qū)探測時，激光掃描頭伸入采空區(qū)后一邊按技術(shù)人員設(shè)置的步進(jìn)角度圍繞機(jī)頭軸向旋轉(zhuǎn)，一邊獲取掃描距離和掃描角度，每當(dāng)沿軸向完成360°旋轉(zhuǎn)后，機(jī)頭自動以預(yù)先設(shè)定的縱向步進(jìn)角度抬高仰角繼續(xù)圍繞軸向轉(zhuǎn)動，激光脈沖按新的圓周進(jìn)行采空區(qū)掃描，直至完成整個采空區(qū)的掃描工作。CMS工作原理見圖1，CMS激光掃描原理見圖2。

CMS采用以儀器激光中心點為坐標(biāo)系原點的內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，y軸在機(jī)頭軸線上且取機(jī)頭掃描方向為正向，x軸在橫向掃描面內(nèi)與y軸垂直，z軸與橫向掃描面垂直，坐標(biāo)軸方向遵循右手法則。由此可得CMS測點坐標(biāo)的計算公式[5]

(1)

圖1 CMS工作原理

圖2 3D激光掃描原理

其中，s為采空區(qū)邊界點到激光中心點的距離，m；θ為邊界點和激光中心點連線與水平面間的夾角，(°)；α為中心點和邊界點連線與機(jī)頭軸線方向的夾角，(°)。

1.2 采空區(qū)三維激光探測方式及坐標(biāo)定位

影響采空區(qū)掃描精度的因素有：①采空區(qū)自身的遮擋，采空區(qū)內(nèi)的圍巖、不規(guī)則礦柱和殘留礦石遮擋了CMS探測光線，使得一次探測結(jié)果不能覆蓋全部的邊界，形成探測“盲區(qū)”；②測程限制，部分采空區(qū)體積較大，而激光掃描儀的測程有限，單站無法覆蓋整個采空區(qū)；③質(zhì)量控制，CMS測量的精度隨距離的增加而降低，導(dǎo)致距離探頭近的區(qū)域數(shù)據(jù)點密集，精度較高，遠(yuǎn)離探頭的區(qū)域數(shù)據(jù)點稀疏，精度較低[6]。

CMS獲取的采空區(qū)多站點掃描數(shù)據(jù)需要通過精細(xì)拼接來消除探測“盲區(qū)”，加密軌跡線的稀疏區(qū)域，獲取精確的邊界三維信息。多站點掃描數(shù)據(jù)拼接的關(guān)鍵在于測點數(shù)據(jù)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，CMS進(jìn)行采空區(qū)探測時通過全站儀探測出的系統(tǒng)自帶的靶標(biāo)坐標(biāo)值獲得局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，實現(xiàn)測點數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

1.2.1 水平探測坐標(biāo)定位

采用水平探測方法掃描采空區(qū)時，儀器設(shè)置如圖3所示。在采空區(qū)通道口外側(cè)架設(shè)2個桅桿，桅桿間相距不小于2 m，在桅桿上架設(shè)吊桿。掃描頭與吊桿最前端相連接，吊桿探出長度(吊桿前端與前桅桿之間的距離)不大于7 m。在設(shè)備機(jī)頭上安置前靶標(biāo)，在水平吊桿上安裝后靶標(biāo)，利用高精度全站儀測定2個靶標(biāo)坐標(biāo)，定位出設(shè)備的中心點。

圖3 水平探測坐標(biāo)定位

1.2.2 垂直坐標(biāo)定位

采用垂直探測方式掃描采空區(qū)時，中心點定位原理與水平探測方式類似，在垂直探測時掃描頭中心點位置是由機(jī)器的中心點坐標(biāo)值與機(jī)器的方位角確定的。垂直坐標(biāo)定位原理見圖4，機(jī)器中心點水平坐標(biāo)由豎桿桿頂位置D點的水平坐標(biāo)確定，該點高程由高程A與高程B確定，機(jī)器的方位角等于鎖閉桿的方位角+90°[7]。

圖4 垂直探測坐標(biāo)定位

2 采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法改進(jìn)

上述方法適用于人員無法進(jìn)入的危險性采空區(qū)探測，但對于人員可以進(jìn)入的穩(wěn)定采空區(qū)利用該類方法進(jìn)行探測時便存在著設(shè)備移動困難、測量環(huán)境要求高、安裝拆卸工序繁瑣等問題，降低了采空區(qū)掃描的工作效率，因此，對CMS采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。

2.1 坐標(biāo)定位原理

基于三腳架水平探測坐標(biāo)定位法是以三腳架為CMS的支撐載體，利用安置于探測設(shè)備機(jī)頭上的一個前靶標(biāo)和固定于機(jī)頭后部連接件上的激光測距與定位裝置(見圖5)來進(jìn)行采空區(qū)定位。具體來說，利用激光測距與定位裝置于探測設(shè)備機(jī)頭正后方的巖壁上產(chǎn)生1個激光點，將該激光點作為后置靶標(biāo)的靶心。該激光參照點必須滿足：①激光參照點必須與前靶標(biāo)中心點處在同一直線上，并且二者連線必須與機(jī)頭軸線平行；②該激光參照點與前靶標(biāo)之間的距離為2～10 m。

圖5 激光測距與定位裝置

基于三腳架水平探測坐標(biāo)定位法利用全站儀無棱鏡模式測出前靶標(biāo)和激光點的絕對坐標(biāo)，來精確定位掃描設(shè)備的絕對地理坐標(biāo)，進(jìn)而將掃描的局部坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)，其原理如圖6所示。

圖6 基于三腳架支撐的水平探測坐標(biāo)定位法

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

基于CMS點云拼接的關(guān)鍵是獲得局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，將各局部坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中。因此，基于CMS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟是將局部坐標(biāo)系o-xyz分別繞自身的3個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，再將旋轉(zhuǎn)系的原點平移到世界坐標(biāo)系o′-x′y′z′的原點上，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為[8]

(2)

其中，(x,y,z),(x',y'z')分別為同一點處于局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；μ為2個坐標(biāo)系統(tǒng)尺度調(diào)節(jié)參數(shù)，由于掃描系統(tǒng)是剛性的，點云拼接時的坐標(biāo)變換可視作三維剛體的坐標(biāo)變換[9-10]，即μ=1；x0,y0,z0分別為平移值；α,β,γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)矩陣R(α,β,γ)可表示成

(3)

準(zhǔn)確獲得6個轉(zhuǎn)換參數(shù)(x0,y0,z0,α,β,γ)是實現(xiàn)采空區(qū)模型拼接的關(guān)鍵。采用CMS進(jìn)行采空區(qū)探測時使用高精度全站儀測出前后靶標(biāo)的絕對坐標(biāo)，前靶標(biāo)與CMS激光中心的距離為0.25m，通過輔助靶標(biāo)坐標(biāo)可獲得中心點的絕對坐標(biāo)，從而獲得3個平移參數(shù)和一個軸向數(shù)據(jù)。由于前后靶標(biāo)點與激光中心點始終處于同一水平線上且與機(jī)頭軸向吻合，可以獲得儀器中心與輔助靶標(biāo)在激光掃描儀局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)而可以確定另一個軸向的數(shù)據(jù)；由2個軸向參數(shù)可以解算出3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)在2個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)采空區(qū)模型拼接。

2.3 坐標(biāo)定位誤差驗證

設(shè)計了如下試驗方案對基于三腳架坐標(biāo)定位方法的數(shù)據(jù)處理精度進(jìn)行驗證，在實驗場地中布置了A、B、C、D等4個測站，A、B表示在不同方位進(jìn)行水平長桿定位法測量，C、D表示在不同方位進(jìn)行三腳架定位法測量，在各站點安裝設(shè)備進(jìn)行采空區(qū)探測，試驗方案如圖7所示。試驗共得到4組掃描數(shù)據(jù)，通過三維建模獲得A、B、C、D等4個測站的體積分別為288，287，286，288m3，對應(yīng)的模型分別如圖8所示。

圖7 試驗方案

(1)不同方位水平長桿定位方法誤差分析。在站點A與站點B得到的模型，兩者在方位上完全重合，模型間體積差為1 m3，證明該試驗的設(shè)備系統(tǒng)誤差很小，可以忽略不計。

圖8 各測站點模型

(2)水平長桿定位方法與三腳架定位方法之間的誤差分析。將在站點A與站點C得到的模型進(jìn)行合成，兩者高度吻合，模型間體積差為2 m3，僅占模型體積的0.69%，考慮到工程精度，該誤差完全可以忽略，可以認(rèn)為，基于三腳架坐標(biāo)定位方法獲得的數(shù)據(jù)與基于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)定位方法獲得的數(shù)據(jù)在精度上趨于一致。

(3)不同方位三角架定位方法間的誤差分析。將在站點C與站點D得到的模型進(jìn)行合成，兩模型高度吻合，體積差為2 m3，僅占模型體積的0.69%，說明該方法的精度不受測點變化的影響。

試驗結(jié)果表明，三腳架坐標(biāo)定位方法處理點云數(shù)據(jù)的精度基本符合工程精度要求，相較于現(xiàn)有的坐標(biāo)定位方法而言，具有設(shè)備搬運、組裝和拆卸簡便等優(yōu)點，有助于提高采空區(qū)掃描的工作效率。

3 工程應(yīng)用

源鑫金礦前期采用留礦法進(jìn)行生產(chǎn)形成的采空區(qū)破壞了原巖的應(yīng)力平衡，使圍巖產(chǎn)生了破壞和移動，加上礦山在生產(chǎn)過程中對圍巖的擾動，極易誘發(fā)采空區(qū)大面積冒落和突水，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備破壞，因此，運用三維激光探測系統(tǒng)對采空區(qū)開展了精準(zhǔn)探測。該礦450 m中段為礦山以往生產(chǎn)的主要中段，該中段存在著大量的采空區(qū)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該中段巖石穩(wěn)固性較好，巷道完整，可以進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測，采空區(qū)分布如圖9所示。

圖9 450 m中段空區(qū)分布位置

利用CMS探測結(jié)果，基于Geomagic、CAD和3DMINE等軟件進(jìn)行多軟件耦合建模，建立了精細(xì)的3D采空區(qū)和巷道三維模型，如圖10所示。通過該模型精確掌握了采空區(qū)的基本形態(tài)、位置、體積以及與礦體和其他巷道工程的空間位置關(guān)系，為及時開展礦山采空區(qū)治理提供依據(jù)，有助于確保礦山安全生產(chǎn)。

圖10 450 m中段空區(qū)和巷道復(fù)合模型

4 結(jié) 語

對CMS在采空區(qū)測量時地理坐標(biāo)定位方法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在著設(shè)備移動困難，測量環(huán)境要求高，安裝拆卸工序繁瑣等缺點，限制了空區(qū)掃描的效率。對此，提出了一種基于三腳架支撐的空區(qū)坐標(biāo)定位方法，設(shè)計了與該方法相配套的設(shè)備組件和現(xiàn)場操作流程，完成了基于三腳架坐標(biāo)定位法的數(shù)據(jù)處理精度試驗驗證，試驗證明該方法的數(shù)據(jù)處理精度基本符合工程精度要求，并且具有設(shè)備搬運、組裝和拆卸簡便等優(yōu)點，有助于提高采空區(qū)掃描的工作效率。將三腳架坐標(biāo)定位方法應(yīng)用于礦山復(fù)雜采空區(qū)群精準(zhǔn)探測，利用所得點云數(shù)據(jù)構(gòu)建了精細(xì)的采空區(qū)三維模型，為確保礦山安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

Research on Georeferenced Coordinate Positioning Method of Three-dimensional Laser Scanning System for Mine Goaf

Yan Tengfei1,2Li Yuanhui1,2Xu Shuai1,2An Long1,2

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China)

In view of the problems such as difficulty in equipment moving，high requirements for measuring environment and the complicated process of the equipment installment and remove that exist in the process of georeferenced coordinate setting of goaf by using the existing three-dimensional scanning system，the georeferenced coordinate positioning principle and coordinate positioning method of the three-dimensional scanning system under the complicated environment of mine goaf are researched.A portable，concise and efficient coordinate positioning method based on tripod support is introduced.A field test plan is designed so as to verify the data processing precision of the method，besides that，the new coordinated positioning method is adopted to conduct field accurate detection on mine goaf.The research results show that:①the spatial locations of the data model obtained by the new coordinate positioning method have good alignment with that by the existed coordinate positioning method.The volume differences between both models is very small，which can be neglected within the scope of engineering precision；The engineering precision of the new coordinate positioning method based on the tripod support is basically identical to that of the existed coordinate positioning method；②based on the detection data obtained by using the new coordinate positioning method，the accurate three-dimensional model of goaf is established，which can provide valuable reference data for mine goaf governance.The above research further show that，the new georeferenced coordinate positioning method based on tripod support has the advantages of easily handling，assembly and disassembly，and it is good for solving the existing problems of coordinate positioning method and improving the efficiency of the three-dimensional scanning on cavity.

Goaf，Three-dimensional laser scanning system，Multi-station scanning，Georeferenced coordinate positioning

2015-02-03

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51204031，51274055),“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2013BAB02B03)，教育部基本科研業(yè)務(wù)費項目(編號：N130401007，N120701001)，遼寧省教育廳一般項目(編號：L2014100)

閆騰飛(1989—)男，碩士研究生。通訊作者 李元輝(1968—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

TD178

A

1001-1250(2015)-05-135-05