俞艷波 李小松 蘇海華 李 琦 盧進宏

(玉溪礦業(yè)有限公司, 云南 玉溪 653405)

0 引言

近年來,隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的變革和信息化,我國智慧城市建設發(fā)展迅速,城市地下空間的開采規(guī)模也達到了空前[1-3],尤其是采礦行業(yè),越來越被行業(yè)部門所重視。為了實現(xiàn)對礦山地下巷道的可視、可管、可控,需要借助現(xiàn)代數(shù)字化測量技術(shù)對礦山地下巷道進行普查測繪,快速獲取地下礦道的三維點云模型和數(shù)字線畫圖,逐步實現(xiàn)對礦山地下巷道的智能化監(jiān)控,達到高效、科學的施工管理的目的。

近年來,隨著測繪技術(shù)的進步,三維激光掃描技術(shù)因其效率高、精度高、非接觸測量、不受天氣干擾等獨特優(yōu)勢備受關(guān)注[4-5]。與傳統(tǒng)測量不同之處是其突破了單點測量模式,能夠大面積快速獲取地面空間的三維點云模型,已廣泛應用于測繪等行業(yè)[6-11]。本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)對礦山地下巷道進行測量,通過對點云數(shù)據(jù)進行加工處理,獲取了地下巷道的三維可視化模型,進而對礦道的采礦量及采礦區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)管和分析,幫助開礦者作出科學、可靠的決策。

1 測區(qū)概況

礦山位于云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)境內(nèi),屬山嶺地形,山脈總體走向南北方向,屬侵蝕剝蝕山地地形,地形起伏大,地勢陡峻。礦區(qū)位于緊靠哀牢山脈東側(cè)的戛灑江東岸,礦區(qū)距新平縣戛灑鎮(zhèn)12 km,距玉溪182 km,距昆明264 km,交通十分便捷。

礦區(qū)地形起伏大,地勢陡峭,加之井下開采深度大,現(xiàn)在礦山地表與井下開采平面的高差達到1 000 m,投產(chǎn)以來井下巷道總長度約890 km,使用的系統(tǒng)巷道長度約350 km。井下礦道錯綜復雜,測量難度大,目前的測量方法只是全站儀,需要的測量作業(yè)員數(shù)量多,且測出的數(shù)據(jù)簡單,并不能反映地下巷道及采空區(qū)的真正情況。

為了最大限度地呈現(xiàn)礦山地下巷道的現(xiàn)狀,以便對采礦量及采礦區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)管和分析,本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,對地下巷道開展三維立體測繪工作。

2 地下巷道三維數(shù)據(jù)采集

2.1 GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀

GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀(圖1)是英國GeoSlam公司最新的輕量級旋轉(zhuǎn)激光掃描儀,支持手持、桿裝或其他移動平臺,如車輛或無人機,可通過目標測量環(huán)境記錄超過300 000個測量點/s。其系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)處理算法無須控制點參與拼接,可以快速采集三維空間信息,適用于多種作業(yè)環(huán)境。

圖1 GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀

2.2 設計掃描路線

地下巷道掃描距離長,路線復雜。在進行掃描時,要根據(jù)掃描區(qū)域的規(guī)模、形狀、大小,合理地設置分站數(shù)和采樣密度,鄰近兩測站的掃描區(qū)域應該有一定的重疊度,一般是30%～40%,最小不得低于15%。同時要建立導線控制網(wǎng),每站控制靶球數(shù)量不能少于4個,且分布均勻。在數(shù)據(jù)拼接時,需將全站儀等測量得到的所有點云數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換成大地坐標,由點云處理軟件根據(jù)已知控制點的坐標進行自動配準。掃描過程不能有測站遺漏,每一站數(shù)據(jù)都要編號,控制網(wǎng)及靶球的布設是關(guān)鍵,每個測站都要有重疊區(qū)域及重疊靶球。

2.3 控制網(wǎng)和靶球的布設

為了使三維激光掃描儀的坐標和實際所需的大地坐標基準相同,應在地下巷道內(nèi)布設一定密度和精度的靶球控制點,形成地下導線控制網(wǎng)。

2.3.1控制網(wǎng)布設

在布設地下導線控制網(wǎng)時,應整體設計,分級布設;應根據(jù)測區(qū)地形地貌、已知控制點、掃描目標物的分布特點和精度要求,選定合適的控制網(wǎng)等級并進行網(wǎng)形設計;控制網(wǎng)布設應選擇視野開闊、距離掃描主體較近的地方;控制網(wǎng)應全面控制掃描區(qū)域,在分區(qū)進行掃描作業(yè)時,還應對各區(qū)的點云數(shù)據(jù)匹配起到聯(lián)系和控制誤差傳遞的作用。

結(jié)合實際地形條件和地下巷道的位置情況,本次掃描采用附合導線的形式布設地下導線控制網(wǎng),控制點分兩組布設,分別位于地下巷道起始兩端的地面位置。

2.3.2靶球的布設及勘測

控制標靶和目標球的布設非常關(guān)鍵,它不僅是拼合各次掃描點云的基準點,也是儀器內(nèi)部坐標和網(wǎng)格坐標轉(zhuǎn)換的媒介,其位置要保持穩(wěn)定,不能安裝在變形體上。但掃描儀的視角有限,無法一次掃描變形體和穩(wěn)固地點的控制標靶和目標球。解決這個問題的方法是：在穩(wěn)固地點和變形體上安裝多個控制標靶和目標球,增加掃描站數(shù)。儀器由穩(wěn)固地點逐步掃描至變形體,根據(jù)穩(wěn)固地點的控制標靶和目標球中心坐標修正變形體上的目標球中心坐標。

標靶布設應遵循以下原則：①標靶應在掃描區(qū)域內(nèi)均勻布置,且布設時注意高低錯落;②每一掃描站布設的標靶應不少于4個,且相鄰兩掃描站須有公共標靶;③可將明顯特征點作為標靶使用。

2.4 數(shù)據(jù)采集

2.4.1點云數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前,應將GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀在觀測環(huán)境中放置半小時以上。作業(yè)時,按照控制測量的技術(shù)要求設置相應的點間距或采集分辨率,使得相鄰掃描站間有效點云的重疊度滿足一定的要求(通常不低于30%,困難區(qū)域不低于15%);各掃描站點可根據(jù)項目名稱、掃描日期、掃描站號等進行命名,三維激光掃描儀在掃描過程中會自動存儲掃描數(shù)據(jù),作業(yè)員應在大比例尺地形圖、平面圖或草圖上標注或描繪掃描站位置;設有標靶的掃描站應對標靶進行識別與精確掃描。掃描作業(yè)結(jié)束后,應將掃描數(shù)據(jù)導入計算機,檢查點云數(shù)據(jù)覆蓋的完整性、標靶數(shù)據(jù)的完整性和可用性;若發(fā)現(xiàn)缺失和異常數(shù)據(jù),應及時補掃。

2.4.2紋理圖像采集

紋理圖像投影像元應符合表1的規(guī)定。拍攝圖像時,應保持相機鏡頭正對目標面,若無法拍攝正面全景時,應先拍攝部分全景,再逐個正對拍攝,相鄰兩幅圖像應滿足一定的重疊度,一般不低于30%,采集圖像時應同步繪制圖像采集點分布示意圖,對紋理顏色有特殊要求的目標面可配合使用色卡拍攝。

表1 紋理圖像投影像元技術(shù)要求 單位：mm

3 數(shù)據(jù)的處理與應用

3.1 數(shù)據(jù)預處理及初始模型的建立

3.1.1點云配準

采用分段掃描時,每次掃描過程所獲取的點云屬于不同的參考坐標系,為了將多次掃描獲得的點云坐標轉(zhuǎn)換到相同的坐標系中,需要對點云進行配準[12]。

根據(jù)不同的作業(yè)方法,可選擇控制點、標靶、特征地物點進行點云數(shù)據(jù)配準。當使用標靶、特征地物點對點云進行匹配時,采用的同名點數(shù)量應不少于3個,利用同名點建立轉(zhuǎn)換矩陣對點云進行匹配,匹配后同名點的內(nèi)符合精度應不低于特征點間距中誤差的1/2;當使用控制點對點云進行配準時,可由控制點直接獲取點云的坐標進行配準。

3.1.2點云拼接

現(xiàn)實世界中存在的都是立體空間物體,在進行測量過程中,由于遮擋物的遮擋和光是沿直線傳播等各種客觀環(huán)境的影響,一次掃描不可能完整地記錄地面實物的所有特征。為了得到測區(qū)內(nèi)地面實物的所有數(shù)據(jù)信息,一般要在地面實物四周設置多個測站點,通過不同角度各個方位對該地面實物進行多次測量,得到不同測站上的點云數(shù)據(jù),再對不同測站上的點云數(shù)據(jù)進行拼接,建立地面實物表面完整的點云數(shù)據(jù)。

為了將不同測站上的點云數(shù)據(jù)拼接在一起,需要找出掃描坐標系和全局坐標系的變換關(guān)系,一般情況下用一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和三維平移向量t描述,求出(R,t)就可以實現(xiàn)掃描坐標系向全局坐標系的轉(zhuǎn)換。

可以通過建立平面控制網(wǎng)的方法拼接點云,每站控制點的點數(shù)量不能少于4個,均勻分布,點云處理軟件根據(jù)已知控制點的坐標進行自動配準。在拼接時,只需要在數(shù)據(jù)處理軟件中導入控制點的坐標信息,就能將所有點的坐標通過參數(shù)變換成大地坐標,根據(jù)公共控制點重疊這一條件將各片點云連接起來。

3.1.3點云去躁

在掃描作業(yè)時,由于各種測量誤差和不確定環(huán)境因素,不可避免會使測量數(shù)據(jù)中存在很多雜點,雜點會影響曲面精度和模型質(zhì)量,因此必須刪除雜點,而目標提取就是刪除除了目標物以外的其他雜點來獲得目標點云的過程。

對于無序點云數(shù)據(jù),需要建立一定的拓撲結(jié)構(gòu)模型,便可對點云進行去躁,常用的方法有空間單元格法、K-dtree法、八叉樹法。對于拓撲結(jié)構(gòu)完整的掃描線數(shù)據(jù),可以采用最小二乘濾波、孤立點排異法、卡爾曼濾波法[13]。

一般情況下,可以采用最小二乘擬合法進行點云濾波,擬合多項式的次數(shù)不同,擬合曲線接近地面實物的真實外形的程度也不同[14]。次數(shù)越多,擬合曲線也越接近地面實物的真實外形,但擬合精度不能通過增加多項式的次數(shù)來提高,因為有可能造成某一區(qū)間內(nèi)大幅度偏離真實圖形的情況,選用的多項式次數(shù)一般不大于7,在地形起伏的實物表面應當采用分段擬合的方法。對于散亂點云數(shù)據(jù)的去噪,需要對三維散亂點云數(shù)據(jù)進行三角剖分,在點與點之間建立拓撲關(guān)系,并在三角剖分域中建立數(shù)據(jù)點M的鄰域,再對域內(nèi)的M點和其他點的方差進行計算,通過比較各點方差和閾值的大小,即可消除噪聲點。

3.1.4點云精簡

經(jīng)過噪聲去除和點云濾波過后的點云數(shù)據(jù)量是相當大的,這將會產(chǎn)生很大的計算工作。用最快的速度、最少的點來表示更多的信息是我們追求的。為了實現(xiàn)快速建模,在不影響點云模型精度的情況下,點云的數(shù)據(jù)量可以適當減少。基于掃描線的數(shù)據(jù)壓縮算法模型簡單,計算方便,但有時會刪除特征點,適合掃描線多但每條掃描線所包括點不多的情況。每次掃描的點沿掃描方向線性排列在同一平面內(nèi),如果取樣點在同一平面內(nèi),通過前后兩點的斜率變化來表示,如果一個點和周圍兩點的斜率變化大,則說明它包括更多點的物體表面信息,應該保留,如果取樣點不在同一平面內(nèi),則i點到其他兩點i-1、i+1的距離h可作為特征量。

選取云南省玉溪市戛灑鎮(zhèn)礦山地下巷道中的部分巷道(長度約5 km),將選取的巷道分為3個測區(qū),如圖2所示,對各個測區(qū)按照上述方法進行點云數(shù)據(jù)采集(采集時間約為0.5 h),然后將各個測區(qū)的點云進行配準和拼接,便得到整個巷道的三維點云(數(shù)據(jù)處理時間約為1 h)。通過與全站儀實測的控制點坐標進行比較,得到點云配準的精度為5～8 cm。在此基礎(chǔ)上,對點云進行去躁和精簡處理,圖3為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的點云模型(截取其中一部分)。

圖2 多站點云拼接效果圖

圖3 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的點云模型

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

原始三維點云經(jīng)過拼接已經(jīng)可以提取完整且平滑的背景層空間點云數(shù)據(jù),三角網(wǎng)格化可進一步增加模型的真實性。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是以三維立體平面形式表示出來的,它是點云數(shù)據(jù)階段到平面數(shù)據(jù)處理過渡的過程,是點到面必經(jīng)的一步。經(jīng)過精簡處理的點云數(shù)據(jù)已經(jīng)可以大概表現(xiàn)出目標物的輪廓、結(jié)構(gòu)等信息,數(shù)據(jù)網(wǎng)格化即通過點云結(jié)構(gòu)、點的分布構(gòu)建出無數(shù)個以數(shù)據(jù)點為頂點的TIN三角形,然后構(gòu)成模型的一個表面。在網(wǎng)格化生成平面時要不定時檢查平面質(zhì)量,因為后續(xù)的特征提取是基于立體平面的,最終得到的三維模型必須是光滑、平整、真實的?；谌S激光掃描點云,快速構(gòu)建巷道的三角網(wǎng)模型,如圖4所示。

圖4 巷道的三角網(wǎng)模型

3.3 三維模型制作

三維模型分為規(guī)則模型和不規(guī)則模型。其中,規(guī)則模型的制作可采用交互式建模的方法,利用點云數(shù)據(jù)或已測平面圖、立面圖、剖面圖進行三維模型制作。對于球面、弧面、柱面、平面等規(guī)則幾何體,應根據(jù)點云數(shù)據(jù)擬合模型。

不規(guī)則模型的制作可通過點云構(gòu)建三角網(wǎng)模型[15],并采用孔填充、邊修補、簡化、細化、光滑處理等方法對三角網(wǎng)模型進行優(yōu)化,表面為光滑曲面的,生成其曲面模型可采用曲面片劃分、輪廓線探測編輯、曲面擬合等方法。圖5為不規(guī)則模型的修復效果圖。

(a)修復前

3.4 紋理映射

目標表面紋理特征的模擬稱為紋理映射。在采集三維激光掃描數(shù)據(jù)的同時也用相機記錄了目標物表面的圖像信息,將拍攝得到的圖像和點云數(shù)據(jù)進行匹配[15]。為了使模型最大限度地接近原始圖像,需要對模型進行顏色處理,在建成目標物的三維模型之后,把紋理特征映射到模型上。

圖6為選取的地下巷道中間部位的紋理映射效果圖?？梢?經(jīng)過紋理映射,地下巷道的三維模型輪廓和幾何結(jié)構(gòu)特征清晰地呈現(xiàn)出來,這為快速尋找或探測巷道內(nèi)的采礦區(qū)提供了便捷。

圖6 地下巷道中間部位的紋理映射效果圖

3.5 模型精度驗證

為了驗證該方法的可靠性,將三維激光掃描獲得的地下巷道三維點云和經(jīng)全站儀實測得到的CAD底圖進行套合比較(圖7),發(fā)現(xiàn)兩者的吻合度較高,幾乎達到95%,說明利用本文便攜式三維激光掃描系統(tǒng)獲取的地下巷道的三維模型精度較高(厘米級),滿足現(xiàn)有工程測量的精度要求。

圖7 三維點云與現(xiàn)有CAD底圖套合

4 結(jié)束語

本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)獲取了云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)礦山地下巷道的三維點云,通過對點云數(shù)據(jù)進行預處理、模型加工、紋理映射等,獲得了地下巷道的三維可視化模型,該模型可以反映現(xiàn)有地下巷道的采礦量及采礦區(qū)域現(xiàn)狀,解決了傳統(tǒng)方法在地下巷道或管廊測量中的不足。將三維點云和地下巷道CAD底圖進行套合,兩者的吻合度較高,這表明了利用本文便攜式三維激光掃描技術(shù)獲取的地下巷道的三維模型精度較高,可以滿足常規(guī)工程測量的精度要求,為今后的城市地下空間測繪提供了可供參考的作業(yè)方法。