采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)地理坐標(biāo)定位方法

閆騰飛 李元輝 徐 帥 安 龍

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

采空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)地理坐標(biāo)定位方法

閆騰飛1,2李元輝1,2徐 帥1,2安 龍1,2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

針對(duì)現(xiàn)有的三維激光掃描系統(tǒng)采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法存在的設(shè)備移動(dòng)困難，測(cè)量環(huán)境要求高，安裝拆卸工序繁瑣等問(wèn)題，對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)在地下采空區(qū)環(huán)境下的地理坐標(biāo)定位原理和定位方法進(jìn)行了研究，提出了一種基于三腳架支撐的輕便、簡(jiǎn)捷、高效的坐標(biāo)定位方法。設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，對(duì)該方法的數(shù)據(jù)處理精度進(jìn)行驗(yàn)證，并采用該方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)地精準(zhǔn)探測(cè)。結(jié)果表明：①基于該方法獲得的數(shù)據(jù)模型與基于現(xiàn)有方法獲得數(shù)據(jù)模型在空間位置上具有很高的吻合度，2種模型間的體積差在工程精度范圍內(nèi)可忽略不計(jì)，基于三角架坐標(biāo)定位法具有與現(xiàn)有的坐標(biāo)定位方法具有基本一致的工程精度；②采用該方法獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了采空區(qū)精確三維模型，能夠?yàn)椴煽諈^(qū)治理提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。上述研究結(jié)果進(jìn)一步表明，基于三腳架地理坐標(biāo)定位法具有設(shè)備搬運(yùn)、組裝和拆卸簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有助于解決現(xiàn)有坐標(biāo)定位方法所存在的問(wèn)題，對(duì)于提高采空區(qū)三維激光掃描的工作效率具有一定的效果。

采空區(qū) 三維激光掃描系統(tǒng) 多站掃描 地理坐標(biāo)定位

金屬礦山在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在使得礦山開(kāi)采條件惡化，容易發(fā)生諸如礦柱變形、破壞，甚至誘發(fā)井下大面積冒落、巖移、地表塌陷和突水等災(zāi)害，對(duì)礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]，因此，有必要及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。準(zhǔn)確獲取采空區(qū)三維空間形態(tài)、分布和體積等空間信息，對(duì)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的監(jiān)測(cè)與治理具有重要意義。采空區(qū)三維激光探測(cè)系統(tǒng)(Cavity Monitoring System,CMS)是一種非接觸主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光作為測(cè)量媒介，可進(jìn)行大面積、高密度、大空間的數(shù)據(jù)采集，可真實(shí)描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，優(yōu)勢(shì)較為明顯。由于采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)的圍巖和塌方體等會(huì)對(duì)在不同程度上遮擋激光束，若利用單一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，則容易存在探測(cè)盲區(qū)，因此，有必要在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行多站點(diǎn)探測(cè)。進(jìn)行采空區(qū)多站點(diǎn)探測(cè)時(shí)，需要對(duì)各站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點(diǎn)云拼接，精確逼近采空區(qū)形態(tài)。CMS通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效拼接，即通過(guò)定位出架設(shè)于設(shè)備長(zhǎng)支撐桿上的參照靶標(biāo)獲得各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于CMS支撐桿由一些小桿件組裝而成，在進(jìn)行采空區(qū)測(cè)量之前，對(duì)該類桿件的搬運(yùn)和組裝往往會(huì)消耗較多的人力和時(shí)間，降低采空區(qū)掃描的工作效率[2-4]。因此，有必要對(duì)CMS現(xiàn)有的采空區(qū)定位方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，對(duì)于及時(shí)進(jìn)行采空區(qū)監(jiān)測(cè)治理，確保礦山安全高效生產(chǎn)具有一定的意義。

1 空區(qū)探測(cè)

1.1 三維激光掃描原理

CMS主要由掃描頭、支撐桿架、手持式控制器和電池箱組成。在進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)時(shí)，激光掃描頭伸入采空區(qū)后一邊按技術(shù)人員設(shè)置的步進(jìn)角度圍繞機(jī)頭軸向旋轉(zhuǎn)，一邊獲取掃描距離和掃描角度，每當(dāng)沿軸向完成360°旋轉(zhuǎn)后，機(jī)頭自動(dòng)以預(yù)先設(shè)定的縱向步進(jìn)角度抬高仰角繼續(xù)圍繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，激光脈沖按新的圓周進(jìn)行采空區(qū)掃描，直至完成整個(gè)采空區(qū)的掃描工作。CMS工作原理見(jiàn)圖1，CMS激光掃描原理見(jiàn)圖2。

CMS采用以儀器激光中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)的內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，y軸在機(jī)頭軸線上且取機(jī)頭掃描方向?yàn)檎?，x軸在橫向掃描面內(nèi)與y軸垂直，z軸與橫向掃描面垂直，坐標(biāo)軸方向遵循右手法則。由此可得CMS測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式[5]

(1)

圖1 CMS工作原理

圖2 3D激光掃描原理

其中，s為采空區(qū)邊界點(diǎn)到激光中心點(diǎn)的距離，m；θ為邊界點(diǎn)和激光中心點(diǎn)連線與水平面間的夾角，(°)；α為中心點(diǎn)和邊界點(diǎn)連線與機(jī)頭軸線方向的夾角，(°)。

1.2 采空區(qū)三維激光探測(cè)方式及坐標(biāo)定位

影響采空區(qū)掃描精度的因素有：①采空區(qū)自身的遮擋，采空區(qū)內(nèi)的圍巖、不規(guī)則礦柱和殘留礦石遮擋了CMS探測(cè)光線，使得一次探測(cè)結(jié)果不能覆蓋全部的邊界，形成探測(cè)“盲區(qū)”；②測(cè)程限制，部分采空區(qū)體積較大，而激光掃描儀的測(cè)程有限，單站無(wú)法覆蓋整個(gè)采空區(qū)；③質(zhì)量控制，CMS測(cè)量的精度隨距離的增加而降低，導(dǎo)致距離探頭近的區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)密集，精度較高，遠(yuǎn)離探頭的區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏，精度較低[6]。

CMS獲取的采空區(qū)多站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)需要通過(guò)精細(xì)拼接來(lái)消除探測(cè)“盲區(qū)”，加密軌跡線的稀疏區(qū)域，獲取精確的邊界三維信息。多站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)拼接的關(guān)鍵在于測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，CMS進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)時(shí)通過(guò)全站儀探測(cè)出的系統(tǒng)自帶的靶標(biāo)坐標(biāo)值獲得局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。

1.2.1 水平探測(cè)坐標(biāo)定位

采用水平探測(cè)方法掃描采空區(qū)時(shí)，儀器設(shè)置如圖3所示。在采空區(qū)通道口外側(cè)架設(shè)2個(gè)桅桿，桅桿間相距不小于2 m，在桅桿上架設(shè)吊桿。掃描頭與吊桿最前端相連接，吊桿探出長(zhǎng)度(吊桿前端與前桅桿之間的距離)不大于7 m。在設(shè)備機(jī)頭上安置前靶標(biāo)，在水平吊桿上安裝后靶標(biāo)，利用高精度全站儀測(cè)定2個(gè)靶標(biāo)坐標(biāo)，定位出設(shè)備的中心點(diǎn)。

圖3 水平探測(cè)坐標(biāo)定位

1.2.2 垂直坐標(biāo)定位

采用垂直探測(cè)方式掃描采空區(qū)時(shí)，中心點(diǎn)定位原理與水平探測(cè)方式類似，在垂直探測(cè)時(shí)掃描頭中心點(diǎn)位置是由機(jī)器的中心點(diǎn)坐標(biāo)值與機(jī)器的方位角確定的。垂直坐標(biāo)定位原理見(jiàn)圖4，機(jī)器中心點(diǎn)水平坐標(biāo)由豎桿桿頂位置D點(diǎn)的水平坐標(biāo)確定，該點(diǎn)高程由高程A與高程B確定，機(jī)器的方位角等于鎖閉桿的方位角+90°[7]。

圖4 垂直探測(cè)坐標(biāo)定位

2 采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法改進(jìn)

上述方法適用于人員無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)性采空區(qū)探測(cè)，但對(duì)于人員可以進(jìn)入的穩(wěn)定采空區(qū)利用該類方法進(jìn)行探測(cè)時(shí)便存在著設(shè)備移動(dòng)困難、測(cè)量環(huán)境要求高、安裝拆卸工序繁瑣等問(wèn)題，降低了采空區(qū)掃描的工作效率，因此，對(duì)CMS采空區(qū)地理坐標(biāo)定位方法進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。

2.1 坐標(biāo)定位原理

基于三腳架水平探測(cè)坐標(biāo)定位法是以三腳架為CMS的支撐載體，利用安置于探測(cè)設(shè)備機(jī)頭上的一個(gè)前靶標(biāo)和固定于機(jī)頭后部連接件上的激光測(cè)距與定位裝置(見(jiàn)圖5)來(lái)進(jìn)行采空區(qū)定位。具體來(lái)說(shuō)，利用激光測(cè)距與定位裝置于探測(cè)設(shè)備機(jī)頭正后方的巖壁上產(chǎn)生1個(gè)激光點(diǎn)，將該激光點(diǎn)作為后置靶標(biāo)的靶心。該激光參照點(diǎn)必須滿足：①激光參照點(diǎn)必須與前靶標(biāo)中心點(diǎn)處在同一直線上，并且二者連線必須與機(jī)頭軸線平行；②該激光參照點(diǎn)與前靶標(biāo)之間的距離為2～10 m。

圖5 激光測(cè)距與定位裝置

基于三腳架水平探測(cè)坐標(biāo)定位法利用全站儀無(wú)棱鏡模式測(cè)出前靶標(biāo)和激光點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，來(lái)精確定位掃描設(shè)備的絕對(duì)地理坐標(biāo)，進(jìn)而將掃描的局部坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其原理如圖6所示。

圖6 基于三腳架支撐的水平探測(cè)坐標(biāo)定位法

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

基于CMS點(diǎn)云拼接的關(guān)鍵是獲得局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，將各局部坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中。因此，基于CMS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟是將局部坐標(biāo)系o-xyz分別繞自身的3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，再將旋轉(zhuǎn)系的原點(diǎn)平移到世界坐標(biāo)系o′-x′y′z′的原點(diǎn)上，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為[8]

(2)

其中，(x,y,z),(x',y'z')分別為同一點(diǎn)處于局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；μ為2個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)尺度調(diào)節(jié)參數(shù)，由于掃描系統(tǒng)是剛性的，點(diǎn)云拼接時(shí)的坐標(biāo)變換可視作三維剛體的坐標(biāo)變換[9-10]，即μ=1；x0,y0,z0分別為平移值；α,β,γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)矩陣R(α,β,γ)可表示成

(3)

準(zhǔn)確獲得6個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)(x0,y0,z0,α,β,γ)是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)模型拼接的關(guān)鍵。采用CMS進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)時(shí)使用高精度全站儀測(cè)出前后靶標(biāo)的絕對(duì)坐標(biāo)，前靶標(biāo)與CMS激光中心的距離為0.25m，通過(guò)輔助靶標(biāo)坐標(biāo)可獲得中心點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，從而獲得3個(gè)平移參數(shù)和一個(gè)軸向數(shù)據(jù)。由于前后靶標(biāo)點(diǎn)與激光中心點(diǎn)始終處于同一水平線上且與機(jī)頭軸向吻合，可以獲得儀器中心與輔助靶標(biāo)在激光掃描儀局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)而可以確定另一個(gè)軸向的數(shù)據(jù)；由2個(gè)軸向參數(shù)可以解算出3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在2個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)模型拼接。

2.3 坐標(biāo)定位誤差驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)方案對(duì)基于三腳架坐標(biāo)定位方法的數(shù)據(jù)處理精度進(jìn)行驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中布置了A、B、C、D等4個(gè)測(cè)站，A、B表示在不同方位進(jìn)行水平長(zhǎng)桿定位法測(cè)量，C、D表示在不同方位進(jìn)行三腳架定位法測(cè)量，在各站點(diǎn)安裝設(shè)備進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，試驗(yàn)方案如圖7所示。試驗(yàn)共得到4組掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模獲得A、B、C、D等4個(gè)測(cè)站的體積分別為288，287，286，288m3，對(duì)應(yīng)的模型分別如圖8所示。

圖7 試驗(yàn)方案

(1)不同方位水平長(zhǎng)桿定位方法誤差分析。在站點(diǎn)A與站點(diǎn)B得到的模型，兩者在方位上完全重合，模型間體積差為1 m3，證明該試驗(yàn)的設(shè)備系統(tǒng)誤差很小，可以忽略不計(jì)。

圖8 各測(cè)站點(diǎn)模型

(2)水平長(zhǎng)桿定位方法與三腳架定位方法之間的誤差分析。將在站點(diǎn)A與站點(diǎn)C得到的模型進(jìn)行合成，兩者高度吻合，模型間體積差為2 m3，僅占模型體積的0.69%，考慮到工程精度，該誤差完全可以忽略，可以認(rèn)為，基于三腳架坐標(biāo)定位方法獲得的數(shù)據(jù)與基于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)定位方法獲得的數(shù)據(jù)在精度上趨于一致。

(3)不同方位三角架定位方法間的誤差分析。將在站點(diǎn)C與站點(diǎn)D得到的模型進(jìn)行合成，兩模型高度吻合，體積差為2 m3，僅占模型體積的0.69%，說(shuō)明該方法的精度不受測(cè)點(diǎn)變化的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，三腳架坐標(biāo)定位方法處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度基本符合工程精度要求，相較于現(xiàn)有的坐標(biāo)定位方法而言，具有設(shè)備搬運(yùn)、組裝和拆卸簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高采空區(qū)掃描的工作效率。

3 工程應(yīng)用

源鑫金礦前期采用留礦法進(jìn)行生產(chǎn)形成的采空區(qū)破壞了原巖的應(yīng)力平衡，使圍巖產(chǎn)生了破壞和移動(dòng)，加上礦山在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，極易誘發(fā)采空區(qū)大面積冒落和突水，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備破壞，因此，運(yùn)用三維激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)開(kāi)展了精準(zhǔn)探測(cè)。該礦450 m中段為礦山以往生產(chǎn)的主要中段，該中段存在著大量的采空區(qū)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該中段巖石穩(wěn)固性較好，巷道完整，可以進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，采空區(qū)分布如圖9所示。

圖9 450 m中段空區(qū)分布位置

利用CMS探測(cè)結(jié)果，基于Geomagic、CAD和3DMINE等軟件進(jìn)行多軟件耦合建模，建立了精細(xì)的3D采空區(qū)和巷道三維模型，如圖10所示。通過(guò)該模型精確掌握了采空區(qū)的基本形態(tài)、位置、體積以及與礦體和其他巷道工程的空間位置關(guān)系，為及時(shí)開(kāi)展礦山采空區(qū)治理提供依據(jù)，有助于確保礦山安全生產(chǎn)。

圖10 450 m中段空區(qū)和巷道復(fù)合模型

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)CMS在采空區(qū)測(cè)量時(shí)地理坐標(biāo)定位方法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在著設(shè)備移動(dòng)困難，測(cè)量環(huán)境要求高，安裝拆卸工序繁瑣等缺點(diǎn)，限制了空區(qū)掃描的效率。對(duì)此，提出了一種基于三腳架支撐的空區(qū)坐標(biāo)定位方法，設(shè)計(jì)了與該方法相配套的設(shè)備組件和現(xiàn)場(chǎng)操作流程，完成了基于三腳架坐標(biāo)定位法的數(shù)據(jù)處理精度試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)證明該方法的數(shù)據(jù)處理精度基本符合工程精度要求，并且具有設(shè)備搬運(yùn)、組裝和拆卸簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高采空區(qū)掃描的工作效率。將三腳架坐標(biāo)定位方法應(yīng)用于礦山復(fù)雜采空區(qū)群精準(zhǔn)探測(cè)，利用所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建了精細(xì)的采空區(qū)三維模型，為確保礦山安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

Research on Georeferenced Coordinate Positioning Method of Three-dimensional Laser Scanning System for Mine Goaf

Yan Tengfei1,2Li Yuanhui1,2Xu Shuai1,2An Long1,2

(1.CollegeofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationonSafeMiningofDeepMetalMines，Shenyang110819，China)

In view of the problems such as difficulty in equipment moving，high requirements for measuring environment and the complicated process of the equipment installment and remove that exist in the process of georeferenced coordinate setting of goaf by using the existing three-dimensional scanning system，the georeferenced coordinate positioning principle and coordinate positioning method of the three-dimensional scanning system under the complicated environment of mine goaf are researched.A portable，concise and efficient coordinate positioning method based on tripod support is introduced.A field test plan is designed so as to verify the data processing precision of the method，besides that，the new coordinated positioning method is adopted to conduct field accurate detection on mine goaf.The research results show that:①the spatial locations of the data model obtained by the new coordinate positioning method have good alignment with that by the existed coordinate positioning method.The volume differences between both models is very small，which can be neglected within the scope of engineering precision；The engineering precision of the new coordinate positioning method based on the tripod support is basically identical to that of the existed coordinate positioning method；②based on the detection data obtained by using the new coordinate positioning method，the accurate three-dimensional model of goaf is established，which can provide valuable reference data for mine goaf governance.The above research further show that，the new georeferenced coordinate positioning method based on tripod support has the advantages of easily handling，assembly and disassembly，and it is good for solving the existing problems of coordinate positioning method and improving the efficiency of the three-dimensional scanning on cavity.

Goaf，Three-dimensional laser scanning system，Multi-station scanning，Georeferenced coordinate positioning

2015-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204031，51274055),“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013BAB02B03)，教育部基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：N130401007，N120701001)，遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(編號(hào)：L2014100)

閆騰飛(1989—)男，碩士研究生。通訊作者 李元輝(1968—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

TD178

A

1001-1250(2015)-05-135-05