杜宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 云岡礦，山西 大同 037017）

0 引 言

采空區(qū)一般是人工開(kāi)采，在地下形成暴露面積較大、形狀不規(guī)律的空?qǐng)?，由于受地下空間的限制，采空區(qū)難以觀察。受工作面回采的影響，采空區(qū)容易發(fā)生塌陷，對(duì)井下的工作人員造成傷害，各種設(shè)備也會(huì)損壞，給煤礦造成巨大損失。由于激光掃描儀的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、工作效率高、穿透性強(qiáng)，因而在采空區(qū)測(cè)量中被廣泛使用，通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)采空區(qū)內(nèi)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)建模軟件清晰完整的反映采空區(qū)內(nèi)的形狀和特征。

1 地質(zhì)概況

云崗礦礦井位于東經(jīng)40°，北緯113°，屬于中高山區(qū)，礦井內(nèi)地勢(shì)高低不一，井下采空區(qū)和巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，由于年代久遠(yuǎn)，原始的圖紙和數(shù)據(jù)保存不完整，數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失，為了合理的開(kāi)采資源，避免重復(fù)施工，浪費(fèi)資源，對(duì)礦井建立三維可視化模型。三維激光掃描儀的掃描精度為毫米級(jí)，可以在高精度自動(dòng)化測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掃描。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，定位被測(cè)物體的絕對(duì)坐標(biāo)，可以獲得被測(cè)礦井采空區(qū)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，通過(guò)配套的模擬軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以建立礦井的可視化模型。

2 三維激光掃描儀構(gòu)件方案

三維激光掃描的作業(yè)流程如圖1 所示，通過(guò)對(duì)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維激光掃描，將掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拼接、查看、降噪以及剪切等相關(guān)處理，得到測(cè)量區(qū)域的礦井點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、刪除孤點(diǎn)、精簡(jiǎn)以及網(wǎng)格修復(fù)等優(yōu)化處理，完成逆向建模，構(gòu)建出采空區(qū)的點(diǎn)云模型和實(shí)體模型。

圖1 三維激光掃描作業(yè)流程Fig.1 3D laser scanning process

2.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀采用全站式掃描技術(shù)，在架設(shè)完儀器后，通過(guò)選擇測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行點(diǎn)云掃描，快速生成該測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用全站儀的功能特性，獲取下一個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以此類推，獲得整個(gè)礦井的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在此次云崗礦采空區(qū)測(cè)量中，設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，采用固定標(biāo)靶，將前后兩次采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到不同時(shí)間段下同一坐標(biāo)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場(chǎng)施工的環(huán)境比較復(fù)雜，存在很多遮擋問(wèn)題，要獲得完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行掃描，系統(tǒng)通過(guò)約束條件計(jì)算整體誤差，如果誤差過(guò)大，再對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)正確性進(jìn)行判斷，以糾正誤差。

三維激光掃描儀獲取的礦井采空區(qū)的點(diǎn)云模型如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描空區(qū)點(diǎn)云模型Fig.2 3D laser scanning goaf point cloud model

2.2 數(shù)據(jù)拼接

為了確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度，先進(jìn)行粗略拼接，確定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使用軟件中的拼接工具進(jìn)行拼接，將3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行拼接；然后進(jìn)行精細(xì)拼接，對(duì)粗略拼接的結(jié)果進(jìn)行處理，設(shè)置2 個(gè)控制點(diǎn)，利用控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)拼接結(jié)果進(jìn)行校正。

2.3 去噪聲點(diǎn)

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理時(shí)，按照少去除多視角的方法，防止刪除真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)操作，從不同的方向觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先以俯視角的方位去除噪聲點(diǎn)，然后以底面和側(cè)面視角的方位去除噪聲點(diǎn)，得到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.4 點(diǎn)云濾波

對(duì)去噪后無(wú)序點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，通過(guò)對(duì)比濾波方式，此次選擇高斯濾波方法進(jìn)行點(diǎn)云濾波。

2.5 點(diǎn)云精簡(jiǎn)

數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云濾波后，要對(duì)重復(fù)存在的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。采用八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)，在精簡(jiǎn)后，一期的數(shù)據(jù)點(diǎn)從342 066 降為19 602 個(gè)，二期的數(shù)據(jù)點(diǎn)從227 114 降為18 423 個(gè)，大大減少了數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.6 網(wǎng)格修復(fù)

根據(jù)精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)在模擬軟件中進(jìn)行實(shí)體模型重構(gòu)，采用Delaunay 三角剖分算法，在簡(jiǎn)化時(shí)模型會(huì)出現(xiàn)尖角、凸塊和孔洞等，因此要對(duì)模型進(jìn)行消尖、平滑和補(bǔ)洞處理，對(duì)于小孔洞，采用修復(fù)工具進(jìn)行修復(fù)，對(duì)大孔洞和邊界孔洞采用搭橋方式先進(jìn)行分解，然后再采用修復(fù)工具進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的礦井采空區(qū)實(shí)測(cè)模型如圖3 所示。

圖3 采空區(qū)實(shí)測(cè)模型Fig.3 Goaf actual survey model

3 結(jié) 論

為了準(zhǔn)確測(cè)量礦井采空區(qū)的實(shí)際形貌，以云岡礦采空區(qū)為研究對(duì)象，采用三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、濾波、精簡(jiǎn)、網(wǎng)格修復(fù)等數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如下。

（1） 根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，生成的三維立體模型真實(shí)地反映采空區(qū)的實(shí)際形貌，一號(hào)監(jiān)測(cè)站測(cè)量的采空區(qū)體積為1 100.5 m3，二號(hào)和三號(hào)監(jiān)測(cè)站測(cè)量的采空區(qū)體積為7 045.3 m3，頂板的厚度為25 m。

（1） 在保證模型精度的情況下，通過(guò)點(diǎn)云精簡(jiǎn)，大大減少了數(shù)據(jù)量，在網(wǎng)格修復(fù)過(guò)程中遇到的尖角、凸塊和孔洞等缺陷，可以采用消尖、平滑、補(bǔ)洞和搭橋的方法進(jìn)行處理。

（2） 采用三維激光掃描儀在短時(shí)間內(nèi)獲取了礦井的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了測(cè)量的工作效率，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維模擬軟件可以很好地銜接，為數(shù)字化開(kāi)采及管理提供三維數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測(cè)模型，在后期現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，成功對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了治理，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保障。