移動式三維激光掃描技術(shù)在礦山測量中的精度及誤差分析

牛家寬 錢小峰

（南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司）

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)之后的一次測繪技術(shù)革命。由于它突破了傳統(tǒng)測量技術(shù)單點(diǎn)測量的局限，采用非接觸式主動測量方式，能夠直接獲取掃描對象的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了快速建模功能。同時(shí)它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動性強(qiáng)、全數(shù)字化等特點(diǎn)，能夠顯著地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便。移動掃描設(shè)備重量輕，使用便攜，可適應(yīng)多種作業(yè)模式，如手持、背包、車載、無人機(jī)掛載等，可以輕松掃描室內(nèi)、室外及傳統(tǒng)方式無法到達(dá)的空間，并快速建立高精度的三維模型。

基于三維激光掃描技術(shù)所具有的顯著優(yōu)勢，研究該技術(shù)在傳統(tǒng)礦山測量領(lǐng)域的推廣應(yīng)用非常有必要，它將徹底突破傳統(tǒng)測量手段的局限性，對數(shù)字化礦山建設(shè)工作起到很好的推動作用。

1 移動式三維激光掃描技術(shù)的原理概述

GEO-SLAM移動式三維激光掃描儀是基于SLAM算法的移動式三維激光掃描系統(tǒng)，由4部分組成，即激光掃描儀、控制器、電源和數(shù)據(jù)傳輸線。掃描作業(yè)時(shí)，激光掃描儀360°旋轉(zhuǎn)，不間斷地向周圍發(fā)射激光束，根據(jù)發(fā)射出去的和接收回來的激光數(shù)據(jù)，利用光速計(jì)算掃描儀和掃描目標(biāo)之間的實(shí)際距離，再根據(jù)發(fā)射的激光束的水平角度和豎直角度來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的空間位置［1］。結(jié)合先進(jìn)的SLAM算法，掃描儀根據(jù)實(shí)時(shí)測量計(jì)算的與周圍目標(biāo)物之間的距離，可以計(jì)算掃描儀與周圍目標(biāo)物之間的相對位置，即它不需要GPS技術(shù)就可以動態(tài)地測量和記錄各種環(huán)境下的空間三維信息，相對于傳統(tǒng)的全站儀、GPSRTK數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其效率有數(shù)十倍的提升。

使用三維激光掃描儀每次掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是以掃描儀為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系，在使用中，通常需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為所需要的空間直角坐標(biāo)系，這就需要使用測量控制點(diǎn)，即每次掃描時(shí)同時(shí)掃描到若干個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)靶球，在后期數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)控制點(diǎn)標(biāo)靶球的坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

2 移動三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

為了全面評價(jià)和驗(yàn)證移動式三維激光掃描技術(shù)在地面和地下不同場景下掃描數(shù)據(jù)的精度和可靠性，選取了地面廠區(qū)三維地形掃描、礦山井下巷道實(shí)體掃描以及地面只介紹了2個(gè)案例分別進(jìn)行分析。

2.1 地面廠區(qū)三維地形掃描

為了驗(yàn)證移動式三維掃描儀在地面三維地形測量中的數(shù)據(jù)精度的可靠性，在地面廠區(qū)范圍使用移動式三維掃描儀進(jìn)行快速掃描，采用閉合路線的方法，掃描路線長度約為1 km。掃描前首先在廠區(qū)范圍均勻布設(shè)4個(gè)標(biāo)靶球作為掃描控制點(diǎn)，以便于后期對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而與已有的地形圖進(jìn)行精度比對。然后使用移動手持掃描儀按照規(guī)劃路線進(jìn)行快速掃描，整個(gè)過程持續(xù)約12 min，掃描作業(yè)僅需要1人便可輕松完成，如此高的作業(yè)效率徹底顛覆了傳統(tǒng)測量手段的作業(yè)限制。掃描完成后，用專業(yè)U盤直接插入掃描儀控制器的USB數(shù)據(jù)傳輸接口，自動導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在室內(nèi)用專業(yè)軟件Geo-SLAM Hub進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理過程耗時(shí)約30 min。最后將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble RealWorks軟件進(jìn)行專業(yè)處理，包括噪點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云分類、地形制圖以及圖形輸出等操作處理，甚至也可以直接制作三維模型。點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示，作業(yè)流程如圖2所示，標(biāo)靶球點(diǎn)云擬合球體見圖3。圖3屬于井下，即2.2中內(nèi)容。

2.2 礦山井下巷道實(shí)體三維掃描

礦山井下巷道掘進(jìn)是采礦生產(chǎn)的前道工序，巷道掘進(jìn)施工質(zhì)量對后續(xù)的回采中深孔設(shè)計(jì)以及回采爆破有著至關(guān)重要的影響。而詳細(xì)、真實(shí)地測量巷道實(shí)體并建立模型是回采中深孔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是數(shù)字化礦山建設(shè)提出的工作要求［2］。要想真實(shí)反映出井下的巷道實(shí)際情況，移動式激光掃描技術(shù)無疑是最佳的選擇，它以每秒幾十萬甚至上百萬個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描速度，可以快速、高效、詳實(shí)地測量巷道的每一處細(xì)節(jié)變化。為了檢驗(yàn)移動式三維激光掃描技術(shù)在礦山井下掃描數(shù)據(jù)的精度和可靠性，選擇了某鐵礦-366 m水平6-7聯(lián)北2至北10段的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，掃描總長度約為480 m的閉合線路。

工作流程與地面掃描類似，區(qū)別之處在于標(biāo)靶球的設(shè)置方式不同。由于礦山井下測量控制點(diǎn)均布置在巷道頂板，因此標(biāo)靶球是懸掛在控制點(diǎn)下的，如圖3所示。掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。使用專業(yè)軟件依次對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、降噪處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、構(gòu)建三角網(wǎng)、模型輸出［3］，流程如圖5所示。

3 不同應(yīng)用場景下的掃描精度評定

3.1 地面三維地形掃描數(shù)據(jù)精度分析

使用Trimble RealWorks軟件對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，即去除無用的散點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后利用軟件中的目標(biāo)分析器工具選取標(biāo)靶球點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)靶球的直徑（0.14 m）自動擬合球體，軟件即可自動計(jì)算擬合球體球心的假定坐標(biāo)，如圖6所示。待所有的控制點(diǎn)目標(biāo)靶球擬合完畢后，把控制點(diǎn)的絕對坐標(biāo)匹配給對應(yīng)的球心假定坐標(biāo)，如圖7所示，即可完成所需要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換過程的控制點(diǎn)平差結(jié)果如圖8所示，平均誤差為1.69 mm。

雖然控制點(diǎn)平差結(jié)果精度很高，但是還需要在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中量取若干個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，與GPS-RTK現(xiàn)場測量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如表1所示。平面位置中誤差最大為53 mm，高程中誤差最大為31 mm，因此移動式三維激光掃描儀在對地面特征點(diǎn)比較明顯的小范圍、地形平坦區(qū)域進(jìn)行三維掃描的精度可以滿足城市大比例尺地形圖的修測要求。

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3.2 井下巷道三維掃描數(shù)據(jù)精度分析

在對巷道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對標(biāo)靶球的球心坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)匹配，如圖9所示。選取北部和南部共3個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行平差，平差結(jié)果為139 mm，如圖10所示。

利用軟件的建模工具構(gòu)建三角網(wǎng)，生成實(shí)體模型，然后在模型上均勻地量取若干個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并現(xiàn)場用全站儀測量該特征點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，比對結(jié)果如表2所示。

通過數(shù)據(jù)比對可知，在礦山井下利用移動式三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在精度上要比在地面掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度低。但是井下巷道平面中誤差最大90 mm，高程中誤差最大66 mm的精度已經(jīng)能夠完全滿足礦山的生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，相比傳統(tǒng)的測量方法，精度有顯著提高。而且利用移動三維激光掃描技術(shù)，不僅作業(yè)效率更高，人力成本更低，在測量一些危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，人員不必靠近就可以完成掃描工作，作業(yè)安全度也得到了保障。

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4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差來源分析

三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差主要來源于4個(gè)方面：一是儀器本身的誤差，二是掃描環(huán)境的影響，三是掃描的方式產(chǎn)生的誤差，四是標(biāo)靶球控制點(diǎn)的精度影響。

4.1 儀器本身的誤差

儀器本身存在的誤差，一方面是儀器制造的精度誤差，會存在激光測距誤差和測角度誤差［4］。另一方面與點(diǎn)云算法有關(guān)，使用的移動式三維激光掃描儀采用SLAM算法原理，即同步定位與建圖，其最早出現(xiàn)在智能機(jī)器人領(lǐng)域，用于解決機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動時(shí)的定位與地圖構(gòu)建問題。運(yùn)用SLMA算法，若要數(shù)據(jù)精度很高，對處理器和傳感器的要求很高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、速度慢，而為了實(shí)現(xiàn)便攜、高效的快速掃描，勢必就要損失部分精度。

4.2 掃描環(huán)境的影響

使用SLMA算法的移動式三維激光掃描儀在掃描過程中產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動計(jì)算并拼接，但是其定位精度取決于周邊環(huán)境的特征形態(tài)［5］。掃描環(huán)境中掃描對象的特征點(diǎn)多且分布均勻，掃描精度相對較高，例如地面小區(qū)樓房的掃描。反之，如果掃描對象的特征點(diǎn)少且不明顯，整個(gè)環(huán)境中的對象特征相似，那么掃描精度就會相對較低，例如礦山井下巷道的掃描。

4.3 掃描的方式方法的影響

三維掃描的方式方法也會對點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生不同影響。經(jīng)過試驗(yàn)，使用SLAM移動式三維激光掃描儀進(jìn)行三維掃描時(shí)，一是掃描路線要閉合，可以提高掃描數(shù)據(jù)的拼接精度；二是一次掃描范圍不能太大，否則影響數(shù)據(jù)精度。掃描礦山井下巷道的路線最好控制在500 m內(nèi)，掃描地面三維空間控制在1 000 m內(nèi)，可以保證數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差在50 mm內(nèi)。

4.4 標(biāo)靶球控制點(diǎn)精度的影響

標(biāo)靶球控制點(diǎn)的坐標(biāo)精度對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換起著決定性的影響，所以首先要保證所使用的控制點(diǎn)的精度。其次，標(biāo)靶球布設(shè)的不合理也會對掃描數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響，一般要求在掃描作業(yè)范圍內(nèi)均勻布設(shè)標(biāo)靶球。

5 結(jié)論與建議

經(jīng)過實(shí)踐論證，移動式三維激光掃描技術(shù)具有實(shí)時(shí)、快速、高精度的優(yōu)勢，很有必要在礦山測量中盡快推廣應(yīng)用，對礦山數(shù)字化建設(shè)將起到重要的推動作用。移動式三維激光掃描技術(shù)不僅能夠滿足一般的大比例尺地形圖的局部修測要求，也能夠滿足礦山井下巷道實(shí)體測量、采空區(qū)測量、溜井測量、專業(yè)管線測量以及開采進(jìn)度測量、礦堆體積測量等［6］。但是使用SLAM移動式三維激光掃描儀單次掃描的范圍具有限制性，如果要保證高精度，地面掃描路線限制在1 000 m以內(nèi)，井下掃描路線要控制在500 m以內(nèi)，同時(shí)要保證有足夠的均勻布設(shè)的標(biāo)靶球控制點(diǎn)，即可保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度滿足要求。