地下空間掃描多站拼接及標(biāo)定技術(shù)研究?

馬 志，張 達(dá)，陳 凱

(1.北京礦冶研究總院， 北京 102628；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102628)

地下空間掃描多站拼接及標(biāo)定技術(shù)研究?

馬 志1，2，張 達(dá)1，2，陳 凱1，2

(1.北京礦冶研究總院， 北京 102628；2.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102628)

首先介紹了三維激光掃描儀的系統(tǒng)組成和性能特征，然后提出了一套應(yīng)用于礦山井下的多站點(diǎn)云拼接方法和相應(yīng)的標(biāo)定技術(shù)，采用在不同地點(diǎn)架設(shè)掃描儀，并配合全站儀，將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。礦山實(shí)際應(yīng)用表明，地下空間掃描多站拼接及標(biāo)定技術(shù)具有快速性、準(zhǔn)確性和可靠性的特點(diǎn)，在礦山井下實(shí)際測(cè)量中取得了良好的效果。

三維激光掃描儀；多點(diǎn)拼接；標(biāo)定技術(shù)

無(wú)論是礦山安全監(jiān)測(cè)還是數(shù)字化礦山建設(shè)，地下空間三維激光掃描技術(shù)均具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。掃描儀每一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的掃描結(jié)果，為了獲取更完整更全面的井下空間形態(tài)，就需要將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。如何實(shí)現(xiàn)快速拼接，又如何保證多站點(diǎn)云拼接的精度，一直是地下空間三維空間掃描的難題。

1 三維空間掃描技術(shù)

礦用三維激光掃描儀具有便攜性和快速性的特點(diǎn)，主要由掃描主機(jī)、電源箱、外部線纜、延長(zhǎng)桿、三腳架適配器等幾部分組成，測(cè)量人員可以在礦山井下環(huán)境輕松攜帶、快速組裝、快速測(cè)量[2-3]。對(duì)于巷道和硐室等測(cè)量人員能夠進(jìn)入的區(qū)域，可以將掃描主機(jī)直接架設(shè)到三腳架上；對(duì)于采空區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域，可以將掃描主機(jī)連接到延長(zhǎng)桿上，推送進(jìn)入采空區(qū)。

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)5 min左右的掃描，就可以得到掃描儀視野范圍內(nèi)的三維空間形態(tài)，可以稱之為一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于礦山井下空間形態(tài)各異，經(jīng)常會(huì)有礦堆或者巖石遮擋，一站掃描往往會(huì)難以完全表達(dá)被測(cè)空間形態(tài)。因此，在不同的地點(diǎn)架設(shè)掃描儀，然后將不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，就可解決這個(gè)問(wèn)題。

2 地下空間多站拼接方法

在礦山井下，無(wú)論是采空區(qū)掃描，還是巷道或者硐室內(nèi)掃描，得到的測(cè)量結(jié)果都是相對(duì)于掃描儀坐標(biāo)原點(diǎn)水平坐標(biāo)系下的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果需要將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)映射到礦山坐標(biāo)系下，通常需要全站儀配合，如圖1所示。

圖1 拼接技術(shù)

O點(diǎn)是掃描儀坐標(biāo)原點(diǎn)，同時(shí)此處安裝有靶標(biāo)激光器，可以發(fā)射一條準(zhǔn)直激光，并照射到后方巖體或者人為目標(biāo)上，得到點(diǎn)H。眾所周知，礦山井下具有眾多坐標(biāo)已知的導(dǎo)線點(diǎn)，如圖1中A點(diǎn)和B點(diǎn)，利用全站儀和這些已知坐標(biāo)點(diǎn)，就可以得到O點(diǎn)和H點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 (xo，yo，zo)、(xh，yh，zh)。

如圖2所示，建立坐標(biāo)系2表示水平坐標(biāo)系，坐標(biāo)系O表示礦山坐標(biāo)系，坐標(biāo)系1為輔助坐標(biāo)系，則坐標(biāo)系2相對(duì)于坐標(biāo)系O的位置關(guān)系可以表示為，坐標(biāo)系2沿方向移動(dòng)到O點(diǎn)，再繞Z1軸旋轉(zhuǎn)角度γ。

利用全站儀得到礦山坐標(biāo)系下H點(diǎn)的坐標(biāo)為(xh，yh，zh)，O點(diǎn)的坐標(biāo)為 (xo，yo，zo)，則向量可表示為:

在HO延長(zhǎng)線上，取單位向量，則可表示為:

從F點(diǎn)向軸X2做垂線，垂足為G點(diǎn)；再?gòu)腉點(diǎn)分別向X1軸、Y1軸做垂線，垂足分別為M，N，則有:

則如果空間任意一點(diǎn)P在水平坐標(biāo)系(坐標(biāo)系2)下可以表示為 (xp，yp，zp)，則其在礦山坐標(biāo)系(坐標(biāo)系O)下的坐標(biāo)表示為:

圖2 拼接解算示意圖

3 拼接標(biāo)定技術(shù)

為了提高三維激光掃描儀多站點(diǎn)云拼接精度，需要進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)定和補(bǔ)償[4-5]。拼接標(biāo)定主要用于標(biāo)定掃描主機(jī)后面的靶標(biāo)激光器，整個(gè)平臺(tái)基于水平導(dǎo)軌，如圖3所示。

圖3 拼接標(biāo)定

掃描主機(jī)和靶標(biāo)板分別位于標(biāo)定平臺(tái)兩端，兩者距離為l，靶標(biāo)激光器可以跟隨掃描主機(jī)第一軸電機(jī)做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)靶標(biāo)激光器位于最高位置時(shí)，在靶標(biāo)板上得到激光點(diǎn)M(xm，ym)，旋轉(zhuǎn)180°，將靶標(biāo)激光器轉(zhuǎn)動(dòng)到最低位置，此時(shí)在靶標(biāo)板上得到激光點(diǎn)N(xn，yn)。

由幾何位置關(guān)系可知，靶標(biāo)激光器在水平方向上偏差角度為:

則經(jīng)過(guò)標(biāo)定后，如果空間任意一點(diǎn)P在水平坐標(biāo)系下可以表示為 (xp，yp，zp)，則其在礦山坐標(biāo)系下可表示為:

4 礦山實(shí)際應(yīng)用

三維激光掃描儀點(diǎn)云拼接技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，在礦山井下三維模型繪制和數(shù)字化礦山建設(shè)方面具有重要意義。例如在某礦山巷道測(cè)量過(guò)程中，分別完成第一站和第二站掃描過(guò)程，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4(a)和(b)所示。通過(guò)計(jì)算得到掃描主機(jī)原點(diǎn)坐標(biāo)和方位角見(jiàn)表1。

將第一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)和第二站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到一起并映射到CAD圖紙中，效果見(jiàn)圖4(c)和(d)，兩段巷道掃描數(shù)據(jù)完全拼接到一起，效果清晰明了。

5 總 結(jié)

地下空間三維激光掃描技術(shù)在礦山具有重要的應(yīng)用價(jià)值，廣泛應(yīng)用于采空區(qū)安全治理、出礦量與充填量計(jì)算、爆破效果評(píng)估、工程驗(yàn)收以及數(shù)字化礦山建設(shè)等方面[6-7]。為了更充分獲取地下空間三維形態(tài)，往往需要進(jìn)行多個(gè)站點(diǎn)測(cè)量，然后進(jìn)行拼接。本文提出了一整套針對(duì)礦山井下環(huán)境的點(diǎn)云拼接方法以及拼接相關(guān)的標(biāo)定技術(shù)，簡(jiǎn)單便捷又有精度保障，同時(shí)，在礦山井下實(shí)際測(cè)量中取得了良好的效果。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA060405)；北京礦冶研究總院產(chǎn)業(yè)基金項(xiàng)目資助(YJZ-2014-02).