井下環(huán)境對三維激光掃描測量精度的影響分析

賈正平

（山西長治王莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 047100）

三維激光掃描技術在礦山行業(yè)中的應用，首先是需要能夠深入到較復雜或危險的空間中作業(yè)，并能獲取各種復雜的、不規(guī)則、或非標準的實體或空間的符合精度要求的點云數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的快速對齊拼合，快速重構出實體目標或空間區(qū)域的三維模型[1-6]。

1 檢測實驗方案

由于南關煤業(yè)實驗巷道比較狹長，較寬闊區(qū)域也可能會有盲區(qū)，單個測站無法完整獲取巷道的三維信息，需要采用多個連續(xù)測站測量的方式獲得整體數(shù)據(jù)，也需要將多個測站的掃描數(shù)據(jù)通過大地坐標拼接起來構成完整的模型，這就需要在掃描過程中控制好測站的位置、目標球的位置和組合形狀。一般都采用將激光掃描儀架設在巷道中間的方式，便于兼顧巷道兩側，有巷道分岔口的地方需要架設在岔口處，對精度要求高的區(qū)段應適當增加目標靶個數(shù)，以便校正累積誤差。為了保證點云數(shù)據(jù)對齊拼合的精度高、效果好，控制點不能布設在一條直線或一個平面上，且目標靶與儀器盡量分散些[7-12]。

三維激光掃描儀對井下勘探受信號發(fā)射距離、目標與信號發(fā)射的夾角、目標對激光束信號反射強度等有關[4]。該系統(tǒng)應用于礦山開采時掃描的是實際巷道，無論是否有噴漿支護，都是以巖石類顏色作為反射面，且表面凹凸不平，相對來說測量環(huán)境較為復雜，因此，需要檢驗待測區(qū)域的明暗、反射程度等屬性對掃描儀的影響情況[13-15]。

原先已經(jīng)有很多對三維激光掃描儀的精度影響因素的分析實驗，比如下述激光對目標物的入射角的影響程度實驗。將待檢測的三維激光掃描測量儀安置在S點處，測量目標為一平面板（如圖1，圖2，圖3所示），將該目標板安置在己安置的線段上，以逆時針方向旋轉(zhuǎn) 10°，共旋轉(zhuǎn) 9 次，觀測 a，b，c，d，…j這9個位置處的平面板，采用相同的采樣間隔在每個位置處重復觀測5次[1-2]。

圖1 激光入射角度對測量精度影響實驗示意圖

圖2 激光入射角度示意圖

圖3 不同角度得到的點云

從圖2，圖3中可以對實驗結果有一個定性的描述，即當平面目標板與激光束垂直時，得到的點云最密集、數(shù)目最多，隨著目標板的旋轉(zhuǎn)，激光束的入射角度逐漸減小，得到的點云逐漸稀疏，直至入射角為零時，點云數(shù)據(jù)接近于零。

井下測量時考慮巷道空間以幾米至數(shù)十米計，且表面凹凸不平，暫不考慮其他因素對掃描儀測量精度的影響，主要針對激光相對測量對象表面的入射角度對測量精度影響這個指標進行檢測評價，以期得到量化對比值。

測量對象表面的入射角度的影響實驗在井下斜坡道、采場脈外巷兩地進行，首先將儀器設置了相同的參數(shù)，得到的點云細部特征如圖4所示。

由圖4可以分析得出，由于井下巷道空間狹小，且呈筒狀走向、與激光束夾角較大，盡量將儀器擺放在與巷道垂直的方向上進行測量工作，并沿著巷道的中心線延伸，不僅可以保證巷道兩側的點云密度相當，而且可以獲得更加密集的點云。

圖4 點云細部特征

2 重復掃描精度分析

測量精度和測量準度是確定礦井掃描儀可靠性的重要指標。測量儀器的精度是儀器測量得到的數(shù)據(jù)與真值之間波動的值域，表示掃描儀的可靠性。所測誤差在一定的范圍內(nèi)即說明儀器可用。在相同的觀測條件下多次獨立重復觀測，這些結果之間的離散度可以用平均誤差、極限誤差等表示。

三維激光掃描儀可以高速獲得掃描對象表面的三維坐標。本次試驗采用觀測值的中誤差作為三維激光掃描儀內(nèi)符合精度的評價指標。其具體操作方式為將掃描設備固定在一點，對同一個目標進行重復掃描，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行精度評定。

觀測值的精度可以以標準差σ來衡量，其表達式為：

在實際測量中不可能對某一個量進行無數(shù)次觀測。只能根據(jù)有限次觀測，然后用估算中誤差朋來近似衡量其精度，如所示。此外還需要知道觀測目標的真值X或誤差Δi。

觀測值的真值X常常是未知的，那么真誤差Δi也就無法計算得到。那么就無法用求其中誤差。在不變的觀測條件下多次觀測同一目標，可以以算術平均值xˉ作為最或是值，這樣就可以計算得到各觀測值的改正值vi，且xˉ在觀測次數(shù)無限增多時將無限接近真值X。對于有限的觀測次數(shù)，以xˉ代替X，即相應于以改正值vi代替真誤差Δi。從而得到按觀測值的改正值計算觀測值的中誤差的公式：

這里設計一個實驗，用來檢驗三維激光掃描儀在相同的觀測條件下控制點重復測量精度，以及通過控制點對激光掃描數(shù)據(jù)進行坐標改正后的精度。FX三維激光掃描測量儀不僅可以高效地獲得物體表面的空間信息，而且同時可以獲取實體表面點的反射強度。

3 結語

在相同的觀測條件下，三維激光掃描儀對每個目標點重復觀測的內(nèi)符合精度較好，重復觀測精度比較穩(wěn)定，只有極少數(shù)點可以看作是噪聲點，這些點與激光掃描儀的掃描方向之間的夾角較大，接收到的激光脈沖數(shù)目少，強度低，導致單點定位精度偏低。