閆偉男，趙洪利，宋林澎

近年來，三維數據采集、測量和成型技術逐漸得到廣泛應用，其應用范圍也從工業(yè)產品設計發(fā)展到不同領域。通過三維掃描儀井下開采整體規(guī)劃和制作步驟，最終確定井下測量的數值。井下測量工程不僅是基于一些基礎數據，還通過對不同井下空間測量的開采數據庫，然后進行其他后續(xù)處理和分析，所以其工作流程根據對數據資料的處理可分為數據采集、數據處理方法、數據信息重構和數據信息導出。

1 傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)的測量路徑和空白區(qū)域使用全站儀測量法和距離法進行測繪工程。在采集過程中，對齊頻率大，需要很多工作人員。采集效率低，數據信息為point-shot數據信息，不能全面表示空間數據，這就對井下數據和開采測量等帶來了一定的問題，不能達到精準測量的目的。

2 移動手持式三維掃描儀測量

2.1 SLAM技術詳細介紹

SLAM（Simultaneous localization and mapping）同步精確定位和地形圖構建技術最早是由RCSmith和P. Cheeseman科學研究明確提出的。技巧處理是從未知自然環(huán)境的井下和巷道空間未知地址考慮的。1986年，室內空間的可變性是在動態(tài)測量的整個過程中，利用反復觀察到的地形圖特征（墻腳、柱頭等）來準確定位自身的位置和狀態(tài)，進而增加地形量根據自己的位置建圖，從而在建圖的同時準確定位三維掃描儀的水中數值，該技術的基本原理主要應用的是SLAM技術的相關應用。

2.2 儀器設備

選用法國GEOSLAM手持便攜式ZEB-REVO三維激光掃描儀，儀器配備LAM系統(tǒng)軟件，適用于移動即時快速測量，獲取高精度、高質量的三維點云數據。關鍵是激光掃描頭、服務器、充電電池三部分組成。掃描頭凈重1kg，測量距離30m，掃描范圍：270°×360°。

手持三維掃描儀是一種用于探測和分析真實世界中物體或周圍環(huán)境的外形（幾何）和外部數據（例如色彩）的科學儀器；如表面反射率等。收集的資料經常用于三維重構，并在虛擬世界中建立真實對象的數碼模型。這些型號適用于各種工業(yè)設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導航、地形測量、醫(yī)學信息、生物信息、刑事鑒定、數字文物、電影制作、游戲素材等。

3D掃描設備的制造并不依賴于一項技術，各種技術都有其優(yōu)點和不足，價格也存在差異。目前還沒有一種統(tǒng)一的、通用的重構技術，其測量工具和方法常常受到對象的表面特征的限制。例如，光學技術在處理閃光（高反射率）、鏡面或半透明表面方面是困難的，而對于易磨損或易磨損的表面，則不能采用激光技術。3D掃描器被用于在物體的幾何表面上生成點云，點云密度越大，模型就越準確（此過程稱為3D重構）。當掃描設備可以獲得物體的色彩時，可以將材料貼到重構的物體上，這就是材料的印刷。

便攜式三維掃描儀的移動工作平臺包括2個萬向腳輪（1）、2個三角軸（2）、底座（3）、鑰匙桿（4）、工作平臺、槽（5）、固定板（12）和電纜滑輪（13），其中兩個萬向腳輪（1）分別固定在底座（3）底端的兩個角上，底座（3）的后側固定在鍵立柱（4），兩個三角軸（2）分別固定在鍵立柱（4）的底端，工作平臺安裝在鍵立柱（4）上，塞子的凹槽（5）固定在底座（3）的正面，將電纜滑輪（13）的芯子按圓柱驅動的方法安裝在鍵桿（4）的固定板（12）上軸。該裝置解決了便攜式三維掃描儀在工作全過程中必須實時移動的技術問題，結構簡單，實際操作方便。

2.3 三維掃描原理

礦山采礦測量技術為礦山技術和作業(yè)提供依據，具體指導采礦和制造中各種項目的準確性，維護和監(jiān)督自然資源的有效開發(fā)和設計，對工程建設、制造和技術承擔雙向責任管理方法。采礦的全過程，所以測量的材料必須詳細、真實、可靠，這樣才能在采礦和制造中起到保證作用。近年來，隨著科學合理技術的飛速發(fā)展，礦山測量技術也是一項技術創(chuàng)新。本文的重點是結合手持式三維激光掃描儀的實際應用，闡述三維激光掃描儀及其配套設施在礦山中的應用。采礦和制造工程項目的主要功能。三維掃描技術可用于深入復雜的自然環(huán)境和現場掃描，即時采集各種大中型、復雜不規(guī)則實線的三維詳細數據，然后快速重建掃描出來的三維目的模型。

根據井下測量工程技術的引入和應用，整合和改進智能維護的各種需求，提供各種改進數據模型的統(tǒng)計方法，為更精準的科學研究提供依據。本次科研使用Artec（MHT）便攜式掃描儀采集大、中、小型三維目標的數據，利用Geomagic建模軟件完成數據的求解和實體模型的重建，從而獲得準確的數據信息和三維實體模型。研究通過參考井下測量工程的方法，展示了如何在具有復雜表面層和更多凸凹構件的預制構件中準確地進行三維數據采集、數據處理方法、實體模型重建和三維模型形成和打印。具有良好的實用效果和科研價值。根據激光測距的基本原理，得到儀器核心與掃描物體的距離，同時測量掃描物體返回的水平掃描角度值和垂直掃描角度值0，根據SLAM優(yōu)化算法進行空間數據庫的相關配對。

2.4 三維掃描測量執(zhí)行過程

第一，規(guī)劃數據采集線路，重置并逐步獲取云數據，應用數據加載功能在線下載點云數據。

第二，依靠GeoSLAM手機軟件進行數據預處理。

第三，使用Reconstructor軟件進行數據打補丁、降噪、坐標變換導出數據。

第四，使用三維Reshaper軟件生成模型，將封裝好的實體模型導出為DXF文件格式。便攜式移動三維激光掃描儀采用LA精準定位技術，與重型或背負式移動掃描儀相比，具有體積小、重量輕、便攜等優(yōu)點。在空間測量中進行應用研究，對地下停車場進行檢查，獲取三維激光點云數據，制作切片提取地下豐闊平面云數據，在AD中制作總平面圖，并驗證其精度符合規(guī)格。大量的井下測量實踐結果表明，儀器獲得的云數據精度能夠滿足礦區(qū)地下空間測量圖制作的要求。

3 三維掃描測量實施結果

同時對多條路徑進行最短路徑算法。在礦場掃描三個測量參考點（用于坐標轉換）后，以人的正常行走速度掃描路徑，即可采集數據。獲取信息后，通過手機軟件對云數據進行提取、降噪、封裝，將實體模型轉化為云數據。填充體積和空隙體積可以在 三維 軟件中計算。

采用英國 GEOSLAM手持式ZEB-REVO三維激光掃描儀，可實現移動、實時、高精度的測量，高品質的三維點云資料，以激光掃描器為主，三個部件，包括主機和電池。掃描頭重1千克，30米的距離，270度x360度的掃描。利用激光測距原理，測量了掃描目標與掃描目標的距離，同時測量了掃描目標的側向掃描角 b和方向的掃描角o，利用 SLAM算法實現了空間數據的相關匹配。

移動手持式掃描器的優(yōu)點是：工作效率高，人力資源少，常規(guī)的采掘方式，每個礦井都有一個站點，采用支距法和全站儀碎步測量方法進行測向，每一條采掘通道3個人30分鐘，一臺手持式掃描儀啟動后1人以正常的速度進行數據采集，只需5分鐘。全站儀的測量是單一的，在有限的點集中，建立的模型精度較低；體積不夠精確，而點云數據龐大的掃描數據則能產生更高的精度和更精確的體積。

移動手持式三維激光掃描儀可以在很短的時間內獲取點云數據，其使用方便靈活，獲取的空間數據更加精確，適合于井下巷道、空區(qū)等具有顯著特點的區(qū)域測量，可以極大的提高工作效率，節(jié)約人力。但是，在直伸形巷道中，由于特征點不明顯，其掃描精度存在較大的誤差，使其精度難以達到要求。

三維激光掃描技術是測繪工程中一項高精度、高效率的新技術，廣泛應用于井下測量工程、三維可視化、虛擬現實技術等行業(yè)。便攜式三維激光掃描儀是一種三維激光掃描儀。其便攜性和高精度使其在井下開采過程中具有得天獨厚的優(yōu)勢。但在整個使用過程中，具體獲取的掃描數據信息的準確性通常會受到儀器本身、整體掃描目標和外部條件的影響。通過井下實踐，對便攜式三維激光掃描儀的偏差源進行了分類，并對每個偏差源進行了分析。比如，以EXASC門便攜式三維激光掃描儀為例，設計了相關的測試方案并對其精度進行了測試、檢測和分析。

4 三維掃描測量精度識別

掃描精度使用環(huán)境對所有掃描區(qū)域的井下空間部分進行識別，掃描時根據建筑物的鏡柱獲得全站儀的參考點。對比兩組數據，較大定位點間距離為±0.08m，滿足制造要求。 ZEBHORIZON手持移動三維激光掃描儀是法國GeoSLAM系列掃描儀的新成員。體積小，結構緊湊，凈重僅1.3kg，測量范圍100m，它適用于室內和室外條件。在三維掃描工作中，憑借其強大的SLAM技術，機器的相對精度可以達到3C水準。由于手持掃描儀輕巧、小巧，在測繪項目的辦公環(huán)境中可以自由行走，即使在狹窄崎嶇的自然環(huán)境中也能輕松工作。100m的測量范圍可以滿足大部分測繪項目的要求。高視場可以輕松獲取大量數據信息，精致、方便、快捷的外觀設計，使其可以手持工作，也可以搭載在無人機、單肩包、活動裝置上，或通過機械裝置進行加裝或倒裝，從而基于相同的規(guī)則實現現場測量自然環(huán)境不便。

橫坐標為規(guī)格，縱軸為點云大小，激光測距規(guī)格較弱，24個認證規(guī)格中，最小為0.632m，較弱者為2.5cm，較大者為43.105m。弱點是4.2cm。從實踐中可以看出，手持移動三維激光掃描儀得到的點云規(guī)格和紅外測距儀的檢測規(guī)格都在5cm以內，并且隨著測量距離的變化，較弱的不擴大也不縮小發(fā)展趨勢。從實測27.014m～13.105m來看，較弱者基本位于3cm～5cm中間。基于采樣的樣本，計算標準偏差并分析結果。使用手持移動式三維激光掃描儀進行礦區(qū)地下空間勘測，采集的數據信息無偏差，整體性，相對精度可達3cm，一定規(guī)格精度可調整至5cm，得到的點云可達1：500工程項目圖零件精度要求。

5 移動手持掃描儀的優(yōu)勢和應用

5.1 提升工作能力

手持式三維掃描儀器可以提高工作能力，節(jié)省人員投資，傳統(tǒng)測量，每條采礦路徑設置一個測站，采用支撐距離法或全站臺步測法測量迎頭機動，測量一條采礦路徑3人耗時30min，手持掃描儀開機后，一個人以所有正常速度走來走去采集數據，只用時5min。ZEB-HORIZON手持式三維激光掃描儀用于礦山低層室內空間勘測新項目中進行應用檢測。傳統(tǒng)的測量技術融合全站儀法進行現場測量難度大、效率低。手持掃描儀不受外界條件影響，工作效率顯著提高。對某寫字樓的礦區(qū)地下空間進行數據采集。使用GNSS接收機將參考點放置在空曠區(qū)域，然后根據全站儀進行先導測量，短時間之內，只有測繪項目的工作量才能進行測量，手持式三維激光掃描儀，現場測量時間約半小時，原始記錄量約幾G，將生成的三維點云切片。

5.2 提升測量精度

傳統(tǒng)的井下、巷道全站儀測量是點陣數據信息，相對有限的點生成模型精度差，體積不準確，而掃描儀生成大量點云數據信息，精度高，體積更準確。隨著三維激光掃描技術的發(fā)展及其在測繪工程領域的應用，越來越多的測繪項目必須使用三維激光掃描技術來采集和求解數據。根據工作模式和介質的不同，三維激光掃描儀分為路架式三維激光掃描儀、背包式三維激光掃描儀、便攜式移動式三維激光掃描儀及其L波段三維激光掃描儀。其中，便攜式移動三維激光掃描儀體積最小，凈重最輕，比其他掃描儀更便攜。它只需要一個人拿著它來收集數據。它對自然環(huán)境的要求不高，可以達到可測量的。配合后期圖像處理軟件，可以輕松轉換成點云，無需進行復雜的點云拼湊工作。在測繪項目中使用它，將進一步提高野外工作的效率，提供更多的豐富性，結果顯示方式和二次應用。

5.3 三維數據信息重構

實體模型的重建主要是利用井下測量工程軟件Geomagic對掃描到的數據信息進行數據處理方法和svm算法，重建出準確的實體模型。Geomagic手機軟件具有強大的反模型功能。遵循點鏈接和不規(guī)則圖形鏈接的工作流程，可以很容易地從點云構建最終的不規(guī)則圖形實體模型和樣條四邊形網格。映射，并將其轉換為NURBS坡度，該模型是高效的。Artec Studio掃描手機軟件在拼接掃描的數據信息時已經完成了數據預處理，并轉化為三角形網格圖的實體模型。在科學研究中，利用Geomagic手機軟件的關鍵模型對實體模型進行擬合、診斷和修復，并對實體模型進行裁剪和改進。及其外觀等，以重構數據信息。100m的測量范圍，在礦區(qū)地下空間的自然環(huán)境中，您可以邊走邊高效采集地下空間布局的空間數據。將點云切片并導入CAD后，即可進行礦區(qū)地下空間制作所需的勘測制作工作。

5.4 SLAM技術優(yōu)勢

同時定位與建圖（SLAM）技術是移動測量的關鍵技術，也是近年來網絡科研的熱點。SLAM可以描述為：基于位置測繪工程環(huán)境的移動掃描系統(tǒng)軟件。傳感器獲得的信息識別出它的位置，同時逐漸構建出體積不斷增加的周圍環(huán)境的地形圖。SLAM優(yōu)化算法利用傳感器獲得的空間數據庫進行標定和配對。傳感器范圍越大，視場越寬，獲得和參與標定的數據信息越多，配對偏差就越小。SLAM優(yōu)化算法大致可分為兩類：基于濾波器的方法和基于圖的方法基于濾波器的優(yōu)化算法僅使用當前光電傳感器的測量數據信息進行計算，因為它沒有考慮上一次的測量數據信息，在精確定位和地形圖構建層面。根據圖提升的方法，采用全局提升配對方式，標定采用從原始時間到當前時間的所有測量數據信息，狀態(tài)不斷被新信息標定，實際效果更強.基于圖提升的SLAM優(yōu)化算法主要涉及前端和后端兩部分。前面部分負責合成方法，計算室內空間管束的關系。創(chuàng)建室內空間管束的關鍵是這兩種方法，一種是基于附近的傳感器。另一種是基于閉環(huán)控制測試創(chuàng)建的，即傳感器在整個行駛過程中一直返回到之前的地方生成一個閉環(huán)，然后生成室內空間管理束關聯。后者負責改進，優(yōu)化的基礎是前面生成的室內空間束之間的關系。在移動掃描系統(tǒng)軟件的整個過程中，前臺不斷創(chuàng)建新的室內空間管理協(xié)會，后者根據這個室內空間管理協(xié)會不斷完善，優(yōu)化結果交給前臺攜帶出新的計算，前后端繼續(xù)進行。移動掃描系統(tǒng)的相互實際操作促進了移動掃描系統(tǒng)軟件現狀和組成方式的不斷升級。

6 結論

綜上所述，三維激光掃描技術又稱實景拍攝數據存儲方式，具有高效、高精度測量等優(yōu)點。三維測量技術發(fā)展迅速，日趨完善，在這個階段，三維掃描機器和設備正在逐步效率化。手持式三維激光掃描儀通過發(fā)射激光對被測物體進行掃描，獲得被測物體表面的三維坐標，其巨大的優(yōu)勢取決于快速掃描被測物體的能力。掃描可以立即獲得高精度的掃描點云數據信息，無需反射面棱鏡。這樣，可以有效地進行現實世界的三維建模和虛擬表示，移動手持式三維激光掃描儀可以快速獲取室內空間點的云數據信息。調用對齊式掃描儀更加方便靈活，得到的空間數據庫更加準確。在測繪工作中，可以大大提高測繪工程的工作效率，節(jié)省人員人力資源，但對于特征點不顯著的直伸斜井，掃描精度有一定誤差，需要進一步研究和改善。