王博奇

（山西地科勘察有限公司，山西 太原 030001）

1 引言

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種全新的測量技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢，三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。

SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，最大的用途是可以進(jìn)行實(shí)時(shí)移動(dòng)式的測量，快速進(jìn)行采空區(qū)的數(shù)據(jù)采集，其主要是依靠SLAM算法。SLAM三維激光掃描系統(tǒng)寫由：激光掃描儀（Laser Scanne）、慣性測量單元（metal. measurement umt，簡稱MU）與SLAM算法（ simultaneous localization and mapping）三個(gè)主要要素組成。SLAM算法是這三大主要要素中最重要的，SLAM算法的好壞決定了解算出的移動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)度，移動(dòng)軌跡的精準(zhǔn)度決定了空間場景三維數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。SLAM算法根據(jù)激光測距儀所獲得三維數(shù)據(jù)中時(shí)間軸上共同的特征點(diǎn)加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)解算設(shè)備從出發(fā)點(diǎn)移動(dòng)的距離，角度信息，逆向的構(gòu)建連續(xù)的空間場景數(shù)據(jù)。即被動(dòng)式依據(jù)當(dāng)前周圍場景的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出連續(xù)的空間數(shù)據(jù)。

2 SLAM技術(shù)概述

Simultaneous Localization and Mapping，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。 SLAM問題可以描述為：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。

2.1 視覺SLAM與激光SLAM

視覺SLAM-VisualSLAM，也稱為VSLAM，在映射環(huán)境的同時(shí)，僅使用來自攝影機(jī)的視覺輸入，計(jì)算設(shè)備相對于其周圍環(huán)境的位置和方向。 基于特征的視覺SLAM通常通過連續(xù)的攝影機(jī)幀跟蹤感興趣的點(diǎn)，以三角化攝影機(jī)的三維位置，然后使用此信息構(gòu)建三維地圖。激光SLAM，基于激光雷達(dá)的SLAM系統(tǒng)使用激光傳感器生成其環(huán)境的3D地圖。激光雷達(dá)（光探測和測距）通過使用主動(dòng)激光“脈沖”照亮物體，測量到物體（例如，墻壁或椅子腿）的距離。激光雷達(dá)是一種既快速又精確的方法，可用于各種環(huán)境和條件。由該方法生成的激光傳感器點(diǎn)云具有很高的精度，非常適合在施工中進(jìn)行測繪。這些高精度的距離測量也可用于許多其他應(yīng)用。目前，SLAM技術(shù)被廣泛運(yùn)用于機(jī)器人、無人機(jī)、無人駕駛、AR、VR等領(lǐng)域，依靠傳感器可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自主定位、建圖、路徑規(guī)劃等功能。

3 實(shí)際案例

此次在某礦山測量我們采用了目前最可靠的激光SLAM（參見圖1），GeoSLAM公司的ZEBHORIZON。該礦山采用豎井、斜井、斜坡道聯(lián)合開拓方式的采礦方法，井下巷道總長約20公里左右，共布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)50個(gè)，這種復(fù)雜地形對于SLAM的算法有很大的考驗(yàn)，也是SLAM技術(shù)將來市場應(yīng)用的典型作業(yè)場景。

圖1 激光SLAM

3.1 GeoSLAM的技術(shù)優(yōu)勢：

（1）體積小，重量輕，僅重3.5kg ，手持式GEOSLAM 可在多種復(fù)雜環(huán)境下快速部署并進(jìn)行工作。（2）無需 GPS 與繁瑣操控，一鍵式運(yùn)行。（3）單人作業(yè)，無需傳統(tǒng)測量方式兩人一組，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。（4）改變傳統(tǒng)測量方式，采集所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)成果有可追溯性。（5）采集數(shù)據(jù)，可生成多樣化成果，一次采集，可適用于多次分析。（6）測量精度高，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，將現(xiàn)場搬回辦公室，對任意位置進(jìn)行量測。（7）質(zhì)檢更方便，原始數(shù)據(jù)進(jìn)行留存，隨時(shí)作為檢驗(yàn)依據(jù)。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施流程：

3.2.1 準(zhǔn)備工作與礦道路線規(guī)劃

此次鐵礦測量我們采用GeoSLAM公司的ZEBHORIZON手持三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)； RTK、全站儀做控制測量；內(nèi)業(yè)采用GeoSLAM HUB軟件處理原始數(shù)據(jù)，和CAD軟件出圖的作業(yè)方式。根據(jù)實(shí)際情況提前規(guī)劃行走路線。

3.2.2 控制測量

控制測量采用RTK、全站儀結(jié)合的方式。硐外RTK做控制點(diǎn)，硐內(nèi)全站儀做控制，最后閉合檢驗(yàn)精度。本硐掃描里程5204.427 m，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)參見表1：

表1 本硐控制點(diǎn)坐標(biāo)

3.2.3 三維掃描

由于礦道比較長，現(xiàn)場會(huì)有一些分叉。我們采用分段掃描的方式，各部分掃描時(shí)保證30米左右的重疊，后期對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，各個(gè)部分進(jìn)行閉合掃描進(jìn)一步提高精度。而 GeoSLAM公司的ZEBHORIZON手持三維激光掃描儀，結(jié)合了SLAM算法和慣導(dǎo)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式掃描，采集效率高，優(yōu)秀的算法保證了可靠的精度。儀器工作的時(shí)間越長慣導(dǎo)的誤差也會(huì)逐漸變大，所以我們將掃描時(shí)間控制在每段20分鐘以內(nèi)。在控制點(diǎn)上開機(jī)，開始掃描后穩(wěn)定放置10秒鐘系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄作為控制點(diǎn)，然后拿起設(shè)備開始掃描，依次進(jìn)入需要掃描的空間，到下個(gè)控制點(diǎn)穩(wěn)定放置10秒鐘系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄作為第二個(gè)控制點(diǎn)，依次掃描完各個(gè)空間，回到起始控制點(diǎn)進(jìn)行閉合（掛控制點(diǎn)至少需要三個(gè)）。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理

將原始數(shù)據(jù)拷貝到電腦端利用GeoSLAM Hub軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，進(jìn)行內(nèi)復(fù)核精度對比（參見表2），將得出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（參見圖2）進(jìn)行投影生成平面圖，對任意面截取剖面，以及采空區(qū)三維量測分析：實(shí)現(xiàn)對任意點(diǎn)坐標(biāo)，兩點(diǎn)距離、面積、體積的量測。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

表2 內(nèi)復(fù)核精度數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

井下測量是指導(dǎo)井下礦業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)工作，測量工作準(zhǔn)確與否直接影響到工程質(zhì)量、施工進(jìn)度和人員安全。測量失誤會(huì)給礦業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失，選用先進(jìn)的測量方法才能確保安全和質(zhì)量。

隨著SLAM移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)的普及，越來越多的人已經(jīng)體會(huì)到它相較于傳統(tǒng)測量儀器之間的天然優(yōu)勢。SLAM移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)利用自動(dòng)生成的立體點(diǎn)云，全方位對堆積物結(jié)構(gòu)的各個(gè)方位進(jìn)行精確測量，再通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理得到我們想要的數(shù)據(jù)。這種作業(yè)方式不僅節(jié)約了時(shí)間，提高了作業(yè)效率，也大大減少了人力、物力的投入，更為重要的是，計(jì)算的精度也很大程度上得到了保證。

目前，三維激光掃描儀很多種選擇，而針對這種井下封閉空間距離長、空間大，手持式掃描儀作業(yè)方式靈活，僅用一人就可以完成外業(yè)掃描工作，作業(yè)時(shí)間可控，前期也可以進(jìn)行掃描作業(yè)的整體規(guī)劃。這樣，使用GeoSLAM-horizon來完成井下礦道采掘面、采空區(qū)具備了充分的可行性。

本項(xiàng)目通過利用GEO-SLAM礦產(chǎn)巷道掃描作業(yè)，利用手持三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在短時(shí)間之內(nèi)完成了對狹窄的巷道掃描和局部區(qū)域的三維數(shù)據(jù)提取工作，并為后續(xù)礦山的開采和修復(fù)等工作提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。