朱海斌

(神華和利時信息技術(shù)有限公司，北京市東城區(qū)，100010)

巷道空間因其具有獨特的機(jī)構(gòu)特征，一些測量手段不適用于地下空間。巷道空間實時變化，難以做出固定坐標(biāo)點，依靠基準(zhǔn)點的全站儀設(shè)備無法準(zhǔn)確測量；在進(jìn)行地下空間測量過程中，巷道地下空間也無法直接使用GPS信號輔助測量，因此傳統(tǒng)依賴GPS的測量儀器無法進(jìn)行測量；另外，巷道空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量手段難以一次性獲取全貌數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的測量方式是對井巷固定間隔取一個斷面，在斷面兩幫和頂?shù)装甯髟O(shè)置一個點，然后測量兩幫以及頂?shù)装鍦y點之間距離的變化，得到巷道變形量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)區(qū)域變形量較大時，再對其進(jìn)行加密處理并監(jiān)測，然后通過得到的數(shù)據(jù)繪制兩幫和頂板的收斂量即收斂速率隨時間變化的曲線，通過分析得到巷道變形的規(guī)律[1]。但傳統(tǒng)的方式面臨數(shù)據(jù)傳遞不實時、數(shù)據(jù)采集不全面、數(shù)據(jù)形式不直觀、精度差等問題，同時人員勞動量較大。

三維激光掃描技術(shù)以高效、快速、非接觸、短時間獲得海量測繪數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)勢迅速發(fā)展成為一種全新的空間數(shù)據(jù)獲取工具和手段，針對復(fù)雜巷道的測繪也十分適用，尤其在巷道基礎(chǔ)測繪、巷道變形監(jiān)測中能發(fā)揮重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且能夠全面采集巷道的高精度點云數(shù)據(jù)，從面的角度對巷道進(jìn)行監(jiān)測，得到全面、真實的監(jiān)測結(jié)果[2-3]。本文對三維掃描技術(shù)進(jìn)行了全面介紹，并且結(jié)合山西五家溝井工礦數(shù)字化項目，詳細(xì)介紹了三維激光掃描技術(shù)在井巷工程中的具體應(yīng)用流程。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 技術(shù)介紹

三維激光掃描技術(shù)又稱實景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)飬^(qū)域進(jìn)行全方位的自動化掃描，掃描井巷表面全部的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字巷道模型。

1.2 技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地獲取目標(biāo)對象的大量數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破[4]。三維激光掃描測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光點坐標(biāo)計算原理

三維激光掃描測量通常使用儀器自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過對物體三維信息數(shù)據(jù)的采集獲得距離觀測值s，精密時鐘控制編碼同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度α和縱向角度θ，其中X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由以上數(shù)據(jù)可得三維激光點P的坐標(biāo)(X,Y,Z)坐標(biāo)，計算式如下[1]：

(1)

1.3 三維激光掃描儀器

隨著三維激光掃描儀的應(yīng)用越來越廣泛，人們對它的認(rèn)識和研究也越來越深入，從而使得市場上三維激光掃描儀的種類也越來越多。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)、地面三維激光掃描系統(tǒng)和便攜型三維激光掃描儀等。

機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)多以無人機(jī)為載體，現(xiàn)在常用的機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)一體化集成高精度激光掃描儀、GPS、IMU等傳感器，同步獲取三維激光點云和定位定姿數(shù)據(jù)，通過配備的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用軟件，快速生成DSM、DEM，制作DLG和3D模型。機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)掃描點云精度一般能達(dá)到厘米級，不適用于毫米級及亞毫米級精度要求的工程，但是由于該系統(tǒng)重量輕、攜帶方便、成果處理效率高，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測量、大比例尺地形測繪、電力巡檢、公路勘測、海岸島礁測量、地災(zāi)測量等領(lǐng)域。機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)無人機(jī)如圖2所示。

圖2 機(jī)載雷達(dá)激光掃描系統(tǒng)無人機(jī)

地面三維激光掃描儀系統(tǒng)的掃描儀是當(dāng)前工業(yè)市場的主要機(jī)型。該機(jī)型要求設(shè)備與物體相對靜止，位置穩(wěn)固。此類掃描儀精度高，耐用性好，多應(yīng)用于近距離掃描場景中，且精度最高能達(dá)到毫米級，適用于文物測繪、高精度地形測量、建筑精細(xì)測繪以及工業(yè)精細(xì)化建模，但是由于站位式掃描需要后期對掃描的單站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，對于大場景的掃描工程工作量較大。地面站位式激光掃描儀如圖3所示。

圖3 地面站位式激光掃描儀

現(xiàn)在常見的便攜型三維激光掃描儀是手持掃描儀與車載掃描儀，此類掃描儀輕便小巧，易于攜帶，因適用掃描對象不同，掃描距離也有遠(yuǎn)有近，精度范圍高的可達(dá)到毫米級、低的可到厘米級；本項目選用的slam激光掃描系統(tǒng)是最新的輕量級旋轉(zhuǎn)型激光掃描儀，支持手持、桿裝或者車載，每秒能夠記錄超過40000個測量點，具有IP6等級，可以承受危險和惡劣的環(huán)境，不需要GPS比傳統(tǒng)的測量或者站位激光掃描速度更快，特別適用于狹長復(fù)雜的巷道掃描工作。slam激光掃描儀如圖4所示。

圖4 slam激光掃描儀

1.4 三維激光掃描技術(shù)流程

整個三維激光掃描技術(shù)流程可以分為外業(yè)掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。三維激光掃描技術(shù)流程如圖5所示。

2 工程實例

筆者主要研究三維激光掃描技術(shù)在井下巷道變形監(jiān)測中的應(yīng)用，五家溝煤礦工作面煤層厚度大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且受泥巖、砂巖復(fù)合型頂板的影響，工作面開采過程中冒漏頂、片幫現(xiàn)象頻發(fā)，甚至出現(xiàn)支架壓死、耳座斷裂等異常礦壓現(xiàn)象，因此，需要頻繁監(jiān)測巷道的變形情況，做好災(zāi)害的預(yù)防工作，由于巷道空間實時變化，難以得到固定坐標(biāo)點，依靠基準(zhǔn)點的全站儀設(shè)備無法準(zhǔn)確測量；巷道地下空間無法直接使用GPS信號輔助測量。在進(jìn)行地下空間測量過程中，難以依賴GPS導(dǎo)航定位信號，導(dǎo)致傳統(tǒng)的依賴GPS測量儀器無法進(jìn)行測量。另外巷道空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量手段難以一次性獲取全貌數(shù)據(jù)。于是選用手持掃描儀對重點監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行階段性掃描工作，工作主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度控制三部分。

圖5 三維激光掃描技術(shù)流程

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 現(xiàn)場踏勘

在進(jìn)行巷道的掃描工作之前，首先對巷道進(jìn)行綜合考察，包括巷道行車情況以及巷道走向，確定標(biāo)靶位置與掃描方案。需要注意以下幾方面問題：一是合理規(guī)劃儀器行走路線及行進(jìn)速度，可以減少冗余數(shù)據(jù)量的同時還能減少拼接誤差；二是合理布置掃描標(biāo)靶，保證儀器能夠很好地識別標(biāo)靶數(shù)據(jù)；三是保證單站掃描數(shù)據(jù)能拼接成一個完整的被測物體點云模型。

2.1.2 確定掃描方案

井下巷道掃描采集難點在于：井下工作環(huán)境復(fù)雜，通道狹長，空間有限，且車流量大。采用傳統(tǒng)的地面式掃描儀無法快速準(zhǔn)確獲取完整數(shù)據(jù)，掃描過程中容易受到影響，且拼接誤差過大。針對這種情況，選取新型手持掃描儀，這種掃描儀具有體積小巧、靈活性強(qiáng)的特點，能夠手持、人員背負(fù)或者車載，在行進(jìn)過程中即可完成對周圍數(shù)據(jù)的采集，并且掃描過程中能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行自動拼接，大大保證了工作效率，減少拼接誤差。

本次掃描選用分段掃描法，由于巷道距離較長，一次性數(shù)據(jù)采集拼接容易累積誤差，影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量；所以選擇分段掃描，最后再利用人工手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，減少掃描累積誤差。

2.1.3 控制測量

由于掃描儀的坐標(biāo)系統(tǒng)是獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，為了把坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為實際地理坐標(biāo)系，需要結(jié)合全站儀或者RTK進(jìn)行控制測量，在掃描區(qū)域放置固定標(biāo)靶，利用全站儀或者RTK等精密測繪設(shè)備獲取標(biāo)靶地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，作為最后掃描數(shù)據(jù)的控制點。

標(biāo)靶作為數(shù)據(jù)點云拼接和坐標(biāo)配準(zhǔn)的控制點，要分布均勻，并且要保證有足夠的密度。因為掃描工作有時候要持續(xù)很長時間，所以標(biāo)靶還要易于掃描和長期保存。

2.1.4 實施掃描

(1)設(shè)定起始位置。儀器掃描前需要設(shè)定儀器初始掃描位置，然后手持儀器進(jìn)入巷道進(jìn)行掃描，注意初始位置不要發(fā)生移動，如果移動會導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)無法拼接。

(2)行走路線。根據(jù)儀器的拼接特性，行走路線要實現(xiàn)閉合，本工程掃描行走路線圖見圖6。

圖6 行走路線示意圖

(3)結(jié)束掃描。結(jié)束掃描時，儀器需要回到起始位置，檢查掃描數(shù)據(jù)是否完整，拼接是否完成，若拼接完好數(shù)據(jù)完整則掃描結(jié)束。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

測量數(shù)據(jù)處理工作是工程的關(guān)鍵，因為數(shù)據(jù)處理的結(jié)果直接影響建模的質(zhì)量，這是由測量系統(tǒng)不成熟決定的，往往獲取的數(shù)據(jù)無法直接進(jìn)行建模。因此在逆向建模之前首先要對外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，目的是獲得完整、正確、高質(zhì)量的掃描數(shù)據(jù)以方便后面的建模工作。主要工作包括點云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理分析及數(shù)據(jù)輸出。

(1)點云拼接。將單站的數(shù)據(jù)拼接成一個整體的掃描物體，常用的點云拼接方法有基于標(biāo)靶的拼接方法、基于特征點的拼接方法、混合式拼接方法和基于控制點的點云拼接方法，拼接過程中需要足夠的特征同名點作為數(shù)據(jù)支持。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。這項功能是為沒有全局坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)匹配全局坐標(biāo)。

(3)數(shù)據(jù)處理分析。主要是對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，可以實現(xiàn)對點云預(yù)處理以及點云的誤差分析。

(4)數(shù)據(jù)輸出?？梢暂敵龆喾N文件格式，很好地與其他軟件實現(xiàn)交互。

2.2.1 數(shù)據(jù)拼接

筆者采用基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)方式，由于前期在巷道內(nèi)部放置了標(biāo)靶，大大提高了配準(zhǔn)精度。拼接完成后的巷道點云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 拼接完成后的巷道點云數(shù)據(jù)

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

測量時全站儀和掃描儀會分別測得標(biāo)靶中心的三維坐標(biāo)。在某一掃描位置上的3個標(biāo)靶的情況如圖7所示。分別利用掃描儀和全站儀測得標(biāo)靶中心的坐標(biāo)。掃描儀得到的坐標(biāo)是基于掃描儀自身坐標(biāo)系的，全站儀或者RTK得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是基于地理坐標(biāo)系統(tǒng)全局的坐標(biāo)系。

兩組數(shù)據(jù)采集完成后，將掃描儀測得的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入拼接軟件中，隨后把全站儀得到的控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)以TXT格式也導(dǎo)入到軟件中，軟件通過計算各標(biāo)靶的空間距離、角度、相對位置，根據(jù)它們的空間位置關(guān)系確定掃描儀得到的標(biāo)靶控制點和全站儀得到的標(biāo)靶控制點之間的對應(yīng)關(guān)系。這個對應(yīng)關(guān)系確認(rèn)后即可計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，利用轉(zhuǎn)換矩陣就能把所有的掃描點云的局部坐標(biāo)系配準(zhǔn)到全局坐標(biāo)系中。掃描儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作原理圖見圖8。

圖8 掃描儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作原理圖

2.2.3 巷道數(shù)字化建模

將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)建模軟件，進(jìn)行井巷數(shù)字化建模，得到三維數(shù)字網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示。

圖9 巷道三維數(shù)字化模型

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)在巷道工程中的應(yīng)用研究

3.1 主要巷道底板、頂板變形監(jiān)測

隨著礦井掘進(jìn)的延伸，煤礦井下的主要巷道受采動、礦壓等影響會出現(xiàn)變形或者遭到破壞，如果發(fā)現(xiàn)不及時，無法及時支護(hù)和維護(hù)，將引發(fā)嚴(yán)重后果。

采用三維激光掃描技術(shù)不定時地采集巷道的三維數(shù)據(jù)，建立巷道數(shù)字化模型。同時，通過對比多次掃描模型，及時對主要巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析，及時發(fā)現(xiàn)變化大的區(qū)域，做到早發(fā)現(xiàn)早修復(fù)，避免重大損失。巷道數(shù)字化模型分析圖見圖10，通過兩次數(shù)據(jù)對比生成兩次數(shù)據(jù)差異色譜圖，圖中綠色區(qū)域即為無偏差區(qū)域，不同的顏色會反映兩次數(shù)據(jù)的不同差值。

圖10 巷道數(shù)字化模型分析圖

3.2 巷道斷面分析

通過建立井巷數(shù)字化模型，可以直接提取巷道截面，并與設(shè)計巷道截面對比，得到掘進(jìn)中巷道的截面與設(shè)計截面的偏差，及時調(diào)整掘進(jìn)方案。調(diào)整前后的巷道截面對比圖見圖11。

圖11 調(diào)整前后的截面對比圖

4 三維激光掃描技術(shù)在巷道變形監(jiān)測中的優(yōu)勢及其應(yīng)用展望

由以上分析可知，三維激光掃描技術(shù)在井巷工程中具有傳統(tǒng)測繪手段不可比擬的優(yōu)勢。

(1)具有機(jī)動性、靈活性和安全性。手持三維激光掃描儀無需設(shè)置固定站位，只需要一名工作人員手持或者車載進(jìn)行工作，小巧靈活，受環(huán)境干擾少，且為非接觸測量，在工作環(huán)境復(fù)雜的巷道工程中，相較于傳統(tǒng)單點接觸設(shè)站測量的技術(shù)手段有明顯的優(yōu)勢。

(2)采集數(shù)據(jù)速度快。傳統(tǒng)井下測繪手段是單點測繪模式，采集數(shù)據(jù)速度慢；同樣長度巷道的數(shù)據(jù)采集工作，三維激光掃描技術(shù)的效率是傳統(tǒng)測繪手段采集數(shù)據(jù)效率的8～10倍，有絕對優(yōu)勢。

(3)數(shù)據(jù)采集更全面更準(zhǔn)確。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段是單點數(shù)據(jù)采集模式，采集數(shù)據(jù)不全面，且容易受到工作環(huán)境影響，需要多名工作人員配合才能完成測繪工作；而三維激光掃描技術(shù)是多點三維測繪方式，能夠獲取全部巷道表面的三維點位坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)更全面、更準(zhǔn)確，并且巷道三維模型包含了地理信息、地區(qū)坐標(biāo)系，保證了模型的尺寸和精度。

(4)數(shù)據(jù)成果利用率高。通過三維激光掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過處理生成多種衍生數(shù)據(jù)，包括巷道三維模型、井巷斷面圖、井巷剖面圖、平面圖等，而且可以通過得到的巷道三維模型，進(jìn)行任意位置的分析，無需重復(fù)反復(fù)測量。

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行井巷工程數(shù)據(jù)測繪，可以對地下井巷數(shù)據(jù)進(jìn)行快速獲取并進(jìn)行三維建模，獲取井工礦復(fù)雜巷道的三維數(shù)字化模型，從而進(jìn)一步進(jìn)行巷道幾何信息、截面等信息的快速提取。三維激光掃描技術(shù)測繪手段豐富了井巷工程中測繪的成果類型，大大提高了井工礦開拓過程中的工作效率，并且能夠快速發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)過程中的安全隱患，及時進(jìn)行支護(hù)修復(fù)，保證井工礦安全生產(chǎn)。

三維激光掃描作為一種新興的三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以其快速、高效、高精度以及海量數(shù)據(jù)采集等技術(shù)優(yōu)勢在各行各業(yè)都起到了至關(guān)重要的作用。這項技術(shù)具有較好的發(fā)展前景，同時也仍然存在一些技術(shù)性難題需要解決，例如三維數(shù)據(jù)中精度控制的問題，以及掃描數(shù)據(jù)的累計誤差難題。相信隨著科學(xué)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來這些難題都將被攻克，而三維激光掃描技術(shù)與逆向工程技術(shù)的完美結(jié)合也必將取得更加豐碩的科技成果。