摘? 要：傳統(tǒng)測繪基于特征點(diǎn)間的幾何關(guān)系建立被測物體的空間模型；而激光掃描技術(shù)則是以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，憑借逆向工程技術(shù)重構(gòu)研究對(duì)象的三維模型。相較于傳統(tǒng)測繪技術(shù)，激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理效率高，數(shù)據(jù)質(zhì)量可追溯性強(qiáng)等特點(diǎn)。文章利用Geomagic Studio建模軟件和激光掃描技術(shù)，結(jié)合某采空區(qū)治理項(xiàng)目，討論3D建模技術(shù)在地下空間工程計(jì)量中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：3D掃描技術(shù)；Geomagic Studio軟件；采空區(qū)治理；工程計(jì)量

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0100-05

Application of 3D Modeling Technology in Goaf Governance Projects

DONG Xueyuan

（Xuzhou China Mining Geotechnical Technology Co.， Ltd.， Xuzhou? 221000， China）

Abstract： Traditional surveying and mapping establishes a spatial model of the measured object based on the geometric relationships between feature points; Laser scanning technology， on the other hand， is based on point cloud data and reconstructs the three-dimensional model of the research object using reverse engineering technology. Compared to traditional surveying and mapping technology， laser scanning technology has the characteristics of high efficiency in data collection and processing， and strong traceability of data quality. This paper uses Geomagic Studio modeling software and laser scanning technology， combined with a goaf governance project， to discuss the feasibility of applying 3D modeling technology in underground space engineering measurement.

Keywords： 3D scanning technology; Geomagic Studio software; goaf governance; engineering measurement

0? 引? 言

近些年，國際形勢復(fù)雜多變，能源又一次成為國際熱點(diǎn)。我國作為煤炭儲(chǔ)存大國，如何合理高效地利用煤炭能源及其占有的空間資源，已成為社會(huì)持續(xù)向好的關(guān)鍵所在。采空區(qū)是煤炭等礦產(chǎn)能源開采后的產(chǎn)物，經(jīng)過治理的采空區(qū)，可以恢復(fù)其對(duì)應(yīng)地面空間的利用價(jià)值。準(zhǔn)確掌握采空區(qū)狀態(tài)是合理制定采空區(qū)治理方案的首要步驟，常規(guī)采空區(qū)狀態(tài)調(diào)查多以文字資料搜集為主，不能直觀展示采空區(qū)的初始狀態(tài)。隨著三維模型概念的興起，采空區(qū)三維空間模型成為記錄采空區(qū)初始狀態(tài)的有力工具，采空區(qū)治理全過程三維模型也成為展示治理效果的直觀媒介。采空區(qū)作為地下空間，具有通視條件差，光線昏暗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)測繪手段在地下空間數(shù)據(jù)采集方面存在種種不足，采空區(qū)模型構(gòu)建更是難上加難。三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測繪在視野方面的桎梏，具有全天候、快速實(shí)時(shí)、不受光線影響等優(yōu)勢。通過三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是研究三維模型的基礎(chǔ)，國內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)方面的文獻(xiàn)數(shù)量已頗具規(guī)模。董秀軍[1]闡述了三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景；楊蘅[2]的研究表明基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，是常規(guī)建模技術(shù)無法比擬的，點(diǎn)云處理技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間；張亞[3]實(shí)現(xiàn)了建構(gòu)筑物的三維模型重建，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)蘊(yùn)含建構(gòu)筑物的紋理、細(xì)節(jié)，后處理軟件的合理使用關(guān)乎建模質(zhì)量；Geomagic Studio軟件[4-10]作為典型的逆向工程軟件，能夠快速地將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成曲面，再由曲面構(gòu)建三維模型，這個(gè)過程省去了人工干預(yù)，由軟件自動(dòng)執(zhí)行。根據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)研究成果，三維建模技術(shù)本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了研究對(duì)象的數(shù)字模型化，在數(shù)字模型層面討論各項(xiàng)應(yīng)用研究。本文通過三維激光掃描技術(shù)和Geomagic Studio后處理軟件配合的模式，以及近景攝影測量和三維成圖軟件后處理的模式，分別從成本投入、建模精度、建模時(shí)間和成果類型等方面，比較說明兩種模式在采空區(qū)建模時(shí)的特性，探討三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)三維建模應(yīng)用中的優(yōu)越性。

1? 技術(shù)路線

三維激光掃描的技術(shù)原理是短時(shí)間內(nèi)由激光發(fā)射裝置發(fā)射激光，經(jīng)被測物體反射至激光接收裝置，基于光電測距原理獲得具有相對(duì)三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過建模軟件處理后形成曲面，最終由曲面構(gòu)造三維模型。采空區(qū)三維模型構(gòu)建技術(shù)路線可分為三個(gè)部分。

1.1? 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次建模研究使用的是架站式三維激光掃描儀天寶SX10，它結(jié)合了全站儀和激光掃描儀的功能，能夠在基站絕對(duì)坐標(biāo)已知的情況下，利用導(dǎo)線控制測量方式同時(shí)獲取被測物體的絕對(duì)三維坐標(biāo)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程包括控制網(wǎng)布設(shè)和架站點(diǎn)選擇，根據(jù)采空區(qū)的空間特點(diǎn)，合理布設(shè)控制網(wǎng)形式和架站點(diǎn)位置。外業(yè)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括架站點(diǎn)三維坐標(biāo)和被測物體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，前者是控制模型精度的基準(zhǔn)，后者是模型精細(xì)化程度的單位構(gòu)成。

1.2? 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

架站式三維激光掃描儀集成了全站儀和激光掃描儀的功能，由掃描儀獲取被測物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是在測站坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，是相對(duì)坐標(biāo)，需要根據(jù)測站絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這個(gè)過程是通過儀器配套軟件YBC及七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)的。由于采空區(qū)內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜，三維激光掃描儀會(huì)產(chǎn)生許多噪聲數(shù)據(jù)，這部分噪聲數(shù)據(jù)包含冗余數(shù)據(jù)和不同測站對(duì)同一區(qū)域掃描的重復(fù)數(shù)據(jù)，前者通過人機(jī)交互去除噪聲數(shù)據(jù)，后者主要依靠重采樣進(jìn)行處理。

1.3? Geomagic Studio軟件建模及應(yīng)用

經(jīng)過絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和去噪處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需要借助三維建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)造，Geomagic Studio軟件作為直接處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的工具，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其原理是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維空間三角網(wǎng)，由三角網(wǎng)擬合形成空間曲面，經(jīng)過平滑、去銳角、著色等處理，形成三維空間模型。三維空間模型具有多種查詢功能，可以滿足不同類型多樣化的需求及應(yīng)用。

傳統(tǒng)測繪三維建模需要依靠專業(yè)測量儀器和3D成圖軟件，本次采用近景攝影測量技術(shù)配合3D-MAX和PS成圖軟件，其原理是依靠測繪儀器采集的具有（X， Y， Z）坐標(biāo)信息的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)造三維曲面模型，通過3DMAX和PS處理過的圖像三維模型進(jìn)行模型貼圖，最終形成具有影像特征的三維模型。傳統(tǒng)測繪三維建模實(shí)質(zhì)上是不同數(shù)據(jù)源調(diào)用的過程，每項(xiàng)數(shù)據(jù)都需要獨(dú)立采集、處理和存儲(chǔ)，相比三維激光掃描技術(shù)，工作量要多很多。

2? 工程應(yīng)用

某采空區(qū)位于湖南省長沙市，開采地層為泥盆系灰?guī)r及泥灰?guī)r，現(xiàn)已停采，采空區(qū)面積約16 000 m2，寬度為4～60 m，高度為5～40 m；礦層厚度較穩(wěn)定，產(chǎn)狀較平穩(wěn)，巖石抗壓、抗剪強(qiáng)度較高，巖體較完整，未采取支護(hù)措施，礦體直接頂板為礦體本身灰?guī)r，膠結(jié)良好，但有少量裂隙；底板圍巖亦為灰?guī)r，其物理力學(xué)性質(zhì)與礦體基本相同。采空區(qū)內(nèi)存積厚層淤泥，呈飽和、流塑狀態(tài)，厚度為0.40～13.6 m。地下巖溶中等發(fā)育。為確保在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，采空區(qū)輻射范圍內(nèi)地表、地表和地下水系、上部建構(gòu)筑物的安全，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固襯砌加固。

由于項(xiàng)目工期緊、任務(wù)重，業(yè)主要求實(shí)時(shí)上報(bào)工作面進(jìn)展情況。采取快速高效的測量手段是本項(xiàng)目的首要因素，采空區(qū)洞室為單向掘進(jìn)巷道，洞室兩端不通視，洞室內(nèi)有施工臨時(shí)用電，沿洞室側(cè)墻有照明裝置，洞室底部存在積水。根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，采用天寶SX10架站式三維激光掃描儀作為采空區(qū)洞室主要建模工具，將工業(yè)相機(jī)與全站儀相結(jié)合進(jìn)行比較分析，研究三維激光掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢。

2.1? 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

控制測量采用閉合導(dǎo)線布控，從洞室外側(cè)布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)，在洞室外側(cè)閉合，形成一個(gè)閉合導(dǎo)線。每一個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)兼做架設(shè)三維掃描儀的對(duì)中點(diǎn)。施工面在42 m左右，根據(jù)現(xiàn)場踏勘，導(dǎo)線布設(shè)4個(gè)觀測點(diǎn)，分別在不同導(dǎo)線點(diǎn)處架設(shè)掃描儀開展三維掃描工作，如圖1所示。掃描儀根據(jù)特征合理的掃描點(diǎn)間距和范圍，采集多個(gè)視角、多個(gè)位置的數(shù)據(jù)構(gòu)成完整的目標(biāo)對(duì)象。

2.2? 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描儀掃描洞室內(nèi)部獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用如圖2所示的天寶SX10掃描儀配套商用軟件TBC，將不同測站、不同視角的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像配準(zhǔn)，這種歸一化處理是利用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型將各測站獨(dú)立部分匹配到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中。七參數(shù)模型包含三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、三個(gè)平移參數(shù)和一個(gè)尺度參數(shù)。

其中，m表示尺度參數(shù)；ε表示旋轉(zhuǎn)參數(shù)；X0表示平移參數(shù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)由相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至地面坐標(biāo)系統(tǒng)的目的，方便三維空間的整體化管理。

2.3? Geomagic Studio軟件建模及應(yīng)用

Geomagic Studio軟件作為直接處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的工具，其原理是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維空間三角網(wǎng)，由三角網(wǎng)擬合形成空間曲面，經(jīng)過平滑、去銳角、著色等處理，形成三維空間模型。建模流程包括：如圖3所示的數(shù)據(jù)導(dǎo)入—如圖4所示的封裝—數(shù)據(jù)處理（松弛、刪除釘狀物、減少噪聲、填充孔洞等）—如圖5、圖6所示的模型應(yīng)用。

工業(yè)相機(jī)配合全站儀三維建模，主要工作包括數(shù)據(jù)源的采集和生產(chǎn)。一方面，三維曲面和空間結(jié)構(gòu)輪廓是三維模型的骨架，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的得來是借助全站儀，根據(jù)洞室空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全人工采集獲得。依據(jù)傳統(tǒng)測繪手段，需要由儀器操作手、特征點(diǎn)確定人員，觀察輔助人員等組建數(shù)據(jù)采集團(tuán)隊(duì)，合力完成數(shù)據(jù)采集工作。三維影像則是借助工業(yè)相機(jī)，由專業(yè)人員拍攝獲取。另一方面，CAD繪圖和3D建模仍需要人機(jī)交互，如果存在特征數(shù)據(jù)不足，還會(huì)出現(xiàn)返工情形。過多的不確定性制約著傳統(tǒng)測繪建模的發(fā)展，如圖7所示。

傳統(tǒng)測繪三維建模整合了多項(xiàng)硬件和軟件處理技術(shù)，相比于三維激光掃描技術(shù)，建模工作是多個(gè)領(lǐng)域的集成。而三維激光掃描技術(shù)則是一維到三維空間理論研究的產(chǎn)物，遵循了點(diǎn)—線—面—體的邏輯秩序，更符合現(xiàn)實(shí)場景的實(shí)際需求。從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理，三維激光掃描技術(shù)的自動(dòng)化程度要優(yōu)于傳統(tǒng)測繪手段，在控制精度相同的前提下，三維激光掃描技術(shù)最大限度避免了人為粗差數(shù)據(jù)的存在，龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測繪在立體空間測量上的不足，在技術(shù)現(xiàn)代化方面，三維激光掃描技術(shù)更是先進(jìn)生產(chǎn)力的產(chǎn)物；在模型加載和實(shí)際應(yīng)用方面，三維激光掃描技術(shù)僅需單一軟件支撐，模型單位細(xì)化到每個(gè)點(diǎn)元素，每個(gè)點(diǎn)具有單獨(dú)矢量信息，具有先天的優(yōu)勢，傳統(tǒng)測繪構(gòu)造的三維模型則需要有復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫做支撐，通過調(diào)用多種數(shù)據(jù)源，從感官上模擬三維模型，各項(xiàng)應(yīng)用功能依托于支撐軟件的二次開發(fā)，在使用操作和功能拓展方面受到限制。

通過本次采空區(qū)治理項(xiàng)目三維建模全過程發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪建模具有如表1所示的特點(diǎn)。

從表1中可以看出，三維激光掃描技術(shù)在成本投入、建模精度、建模時(shí)間和成果類型等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測繪技術(shù)。

3? 結(jié)? 論

本文以采空區(qū)治理項(xiàng)目空間建模的應(yīng)用為著入點(diǎn)，討論三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪手段在成本投入、建模精度、建模時(shí)間和成果類型等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，通過工程實(shí)例中的對(duì)比，三維激光掃描技術(shù)表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。

采空區(qū)經(jīng)過三維建模，實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)體信息的數(shù)字化。對(duì)于采空區(qū)的空間幾何信息，在建模軟件的環(huán)境下，由復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚膶傩孕畔ⅰ＠密浖樵児δ?，?xiàng)目管理人員可以輕而易舉地實(shí)時(shí)把控項(xiàng)目進(jìn)程。相較于根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和工程進(jìn)度估算項(xiàng)目工程量，三維建模技術(shù)在采空區(qū)治理項(xiàng)目工程計(jì)量方面更有優(yōu)勢。

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作者簡介：董雪園（1988—），男，漢族，江蘇徐州人，工程師，碩士，研究方向：大地測量學(xué)與測量工程。

收稿日期：2023-04-04