采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

摘要：為了更好地對采空區(qū)三維數(shù)據(jù)進行有效建模分析，開展采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)研發(fā)。在核心算法的基礎(chǔ)上對點云進行過濾分析處理，保證建模的精度和速度。采用CVIS這一專門用于采空區(qū)三維激光掃描空間信息處理的系統(tǒng)，Windows開發(fā)平臺，Visual C++開發(fā)環(huán)境，以及OpenGL開放性接口進行開發(fā)。通過對研發(fā)的系統(tǒng)進行測試，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，適應(yīng)性強。系統(tǒng)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步集成處理采空區(qū)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)、采空區(qū)穩(wěn)定性分析等功能，大幅度實現(xiàn)了對采空區(qū)的安全性評價和預(yù)警。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);三維建模;集成系統(tǒng);點云處理;穩(wěn)定性

中圖分類號：TD679 文章編號：1001-1277（2022）03-0044-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20220310

引 言

礦產(chǎn)資源地下開采形成的采空區(qū)是危及礦山安全生產(chǎn)的主要災(zāi)源之一。有效實施采空區(qū)探測，準確獲取采空區(qū)的三維形態(tài)、空間位置、實際邊界及體積大小等空間特征信息，是分析預(yù)測和監(jiān)控因采空區(qū)引發(fā)的災(zāi)害、提高采礦設(shè)計和安全管理水平的重要基礎(chǔ)性工作。采空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)（Cavity Monitoring System，CMS）在隱患采空區(qū)群三維探測可視化、采空區(qū)失穩(wěn)破壞探查分析、采場回采邊界獲取及貧損可視化計算、礦柱回采輔助設(shè)計、溜井垮塌三維探測及分析與計算等領(lǐng)域開展了相關(guān)應(yīng)用，取得了良好的實際應(yīng)用效果[1-2]。

近年來，三維激光掃描技術(shù)在采空區(qū)探測中逐漸被廣泛地運用，利用三維激光掃描系統(tǒng)獲取的大量點云數(shù)據(jù)，一般借助逆向工程的軟件系統(tǒng)進行預(yù)處理，生成三維模型，再導入通用建模分析工具進行后期三維處理[3-5]。由于沒有專門針對采空區(qū)的點云處理系統(tǒng)，不得不在多個軟件間進行文件格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換，浪費大量時間和精力。

隨著采空區(qū)三維激光探測技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷深入，緊密結(jié)合當前軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、專業(yè)用于采空區(qū)三維激光掃描信息處理的集采空區(qū)信息管理、三維模型構(gòu)建、剖切面生成、采空區(qū)體積及頂板面積求取、模型間布爾運算等功能于一體的采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)勢在必行。為此，根據(jù)多年研究和實踐經(jīng)驗，以及國內(nèi)礦山實際應(yīng)用需求，開展采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)（CVIS集成系統(tǒng)）研發(fā)。

1 CVIS集成系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計

采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)必須能夠準確獲取隱患采空區(qū)群的三維空間形態(tài)、空間位置和實際邊界，計算出采空區(qū)體積和頂板面積，為礦山進行采空區(qū)有效處理、資源安全回收提供基礎(chǔ)性依據(jù);準確獲取因采空區(qū)垮塌造成的破壞情況（如對工程巷道的破壞情況等），及時掌握破壞的準確位置及破壞的程度和范圍，為礦山制定相應(yīng)的綜合治理方案提供基礎(chǔ)依據(jù)。建立采空區(qū)的三維可視化模型，準確獲得采空區(qū)的三維空間形態(tài)和實際邊界，結(jié)合采場設(shè)計資料，實現(xiàn)對采場回采礦石量、廢石量、充填體量、礦石貧化率、采礦損失率等回采指標的可視化精確計算，并根據(jù)采場實測資料，分析采場貧損控制效果，提出改善采場回采貧損控制的技術(shù)方案[6]。

1.1 技術(shù)路線

根據(jù)系統(tǒng)研究的目的要求，提出了CVIS集成系統(tǒng)設(shè)計的具體技術(shù)路線，如圖1所示。

1.2 主要算法研究

根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求搭建好相應(yīng)模塊的界面框架和OpenGL三維顯示環(huán)境，在該主軟件平臺下集中進行了下列主要模塊算法研究。

1.2.1 點云數(shù)據(jù)處理分析

運用CMS采空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)探測得到的采空區(qū)點云數(shù)據(jù)量非常龐大，且其中包含了大量的噪聲點。直接運用探測到的點云數(shù)據(jù)進行三維建模處理并不能夠保證建模的精度和速度，所以必須對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行處理。產(chǎn)生的噪聲點進行過濾的基本流程如圖2所示。

1）弦高偏差判據(jù)。弦高偏差判據(jù)與弦高比和弦夾角的基本原理是一樣的，如圖3所示，在掃描點云中的噪聲點A，由于該點并不是采空區(qū)的真正邊界點，而是其他遮擋物上的點，所以形成的夾角比較尖銳。即：△ABC中∠A較小，且點A距BC邊的距離較遠，則BC邊的高就相對較大，也就是所謂的弦高較大。因此，弦高比和弦夾角運用一個判據(jù)就可以判斷出噪聲點。

2）周長比判據(jù)。弦高比和弦夾角可以去除夾角較尖銳的情形，但是對于距離掃描頭較遠的噪聲點形成的夾角并不尖銳反而很大。這種噪聲點與其他正常點相比而言，與緊鄰前后兩點連接形成的三角形的周長明顯較大，因此可以按照周長的大小判斷是否為異常點。三角形的周長計算公式如下：

P=（ax-bx）2+（ay-by）2+（az-bz）2+

（ax-cx）2+（ay-cy）2+（az-cz）2+

（cx-bx）2+（cy-by）2+（cz-bz）2（1）

式中：P為三角形的周長;a、b、c分別為三角形的3個頂點;x、y、z分別為對應(yīng)頂點的3個坐標值。

根據(jù)式（1）求出三角形的周長P，將緊鄰兩個三角形的周長P1、P2作比值記為P′=P1/P2，并與設(shè)定的閾值（ε2）相比較判斷是否為異常點，是否需要刪除[7-8]。2022年第3期/第43卷 采礦工程采礦工程 黃 金

1.2.2 基于旋轉(zhuǎn)面的格網(wǎng)三角剖分算法

由于采空區(qū)探測條件復雜，可能產(chǎn)生噪聲點或個別點數(shù)據(jù)丟失的情況，通過點云過濾算法可以將明顯的壞點過濾刪除。由于存在點數(shù)據(jù)缺失，破壞了掃描點云應(yīng)有的非常規(guī)的拓撲關(guān)系，這對于有序點三角剖分產(chǎn)生非常不利的影響。因此，對于如何對數(shù)據(jù)丟失的有序點云進行三角剖分，本文研究了基于旋轉(zhuǎn)面的格網(wǎng)三角剖分算法。

基于旋轉(zhuǎn)面的格網(wǎng)三角剖分算法首先通過球面投影的有序點插值方法進行插值后，復原掃描點云規(guī)則的空間拓撲關(guān)系，然后以球面上掃描圈的中心點連線為旋轉(zhuǎn)軸，依次從一圈中提取點生成旋轉(zhuǎn)面，以旋轉(zhuǎn)面為基準在下一圈搜索能夠生成最優(yōu)格網(wǎng)點的旋轉(zhuǎn)面，在最優(yōu)格網(wǎng)基礎(chǔ)上完成三角剖分。基于旋轉(zhuǎn)面的格網(wǎng)三角剖分算法流程如圖4所示。

1.2.3 拼合散亂點云球面投影三角剖分算法

針對采空區(qū)激光掃描探測數(shù)據(jù)處理和可視化建模，現(xiàn)有的三維建模軟件大多集中在對單次探測的數(shù)據(jù)進行處理。單次激光掃描探測的點云數(shù)據(jù)是有序漸進的，其空間拓撲關(guān)系明顯，不難構(gòu)建采空區(qū)三角網(wǎng)格模型。實踐表明，采空區(qū)由于爆破作業(yè)、失穩(wěn)破壞等因素致使其形態(tài)復雜，通常需要從多個方位多次探測才能獲取其完整形態(tài)[9]。采空區(qū)激光探測原理是從采空區(qū)內(nèi)部向采空區(qū)邊界進行掃描，掃描探頭的中心位置是固定的，通過抬高掃描探頭角度和360°旋轉(zhuǎn)探測采空區(qū)邊界，將采空區(qū)掃描探頭伸入到采空區(qū)內(nèi)部是探測的前提，測桿一般通過巷道或鉆孔伸入采空區(qū)內(nèi)部。由于采空區(qū)設(shè)計形態(tài)、片幫坍塌、爆破殘留、底部結(jié)構(gòu)等因素的影響，使得采空區(qū)形態(tài)復雜，加上進入采空區(qū)探測通道和測桿長度限制，容易出現(xiàn)探測盲區(qū)（如圖5所示）。

為了避免出現(xiàn)探測盲區(qū)，通常需要從多個方位對采空區(qū)進行多次探測。當一個探測通道存在探測盲區(qū)時，可選擇其他通道進行多次探測，從而獲得采空區(qū)邊界形態(tài)完整的點云數(shù)據(jù)。對多次探測的采空區(qū)邊界點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼合、稀釋處理后，得到無序的拼合散亂點云數(shù)據(jù)，如何對拼合散亂點云進行有效三角剖分，是實現(xiàn)復雜采空區(qū)三維精確建模的基礎(chǔ)。

1.2.4 體積算法

三角網(wǎng)格模型的體積計算目前主要有5類方法：①一類是將網(wǎng)格模型剖分為四面體，由所有四面體的體積和計算模型體積;②另一類是用一組相互平行的平面剖切模型，由剖面面積和平面間距計算網(wǎng)格模型的體積;③第三類是采用三角形平面投影的方法;④第四類是基于高斯公式的體積計算;⑤第五類采用六面體化模型求體積[10]。

1.2.5 頂板暴露面積算法

頂板暴露面積作為采空區(qū)空間跨度的一個重要指標，在一定程度上能夠反映采空區(qū)的危險程度，但行業(yè)對于頂板暴露面積定義一直都較為模糊，目前存在2種觀點：一種觀點認為頂板暴露面積為頂板表面在水平面上的投影面積;另一種觀點認為應(yīng)當先確定頂板，然后再求其面積，所以人為定位采空區(qū)某高程以上的為頂板，頂板的表面積和為頂板暴露面積。而對于巷道的頂板暴露面積來說，是拱形部分的表面積，可用于計算支護等工程量。

針對采空區(qū)頂板暴露面積理解問題，本課題研究了頂板暴露面積的2種計算方式：一種頂板三角網(wǎng)曲面的投影面積計算方式，這種方式較為簡單，此處不贅述;另一種為基于傾角判定的頂板面積計算方式，該方法通過判斷采空區(qū)三角網(wǎng)格中上部三角形與水平面的傾角，當傾角小于一定值時，認為該三角形屬于頂板部分，三角形面積疊加頂板暴露面積[11]。

1.2.6 剖面算法

采空區(qū)三角網(wǎng)格模型及其剖面是采空區(qū)基礎(chǔ)形態(tài)的重要表征，廣泛應(yīng)用于礦山開采設(shè)計和采空區(qū)安全性分析等眾多領(lǐng)域。由于巖體節(jié)理裂隙、爆破沖擊、失穩(wěn)破壞等因素的影響，使得采空區(qū)實際形態(tài)復雜多變，如何沿任意方向精確生成其剖面輪廓線并對模型斷面有效封閉，是首要解決的問題。因此，研究了復雜采空區(qū)三角網(wǎng)格模型任意方向剖面生成算法[12]。

以采空區(qū)三維激光探測系統(tǒng)獲得的采空區(qū)邊界點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的采空區(qū)三角網(wǎng)格模型為基礎(chǔ)，開展復雜采空區(qū)三角網(wǎng)格模型任意方向剖面生成算法研究，其算法流程如圖6所示。

1.2.7 實體模型布爾運算算法

采空區(qū)三角網(wǎng)格模型布爾運算主要包括聯(lián)合、相交和相減3類，由于采空區(qū)形態(tài)復雜、三角網(wǎng)格三角形數(shù)量多，因此相互之間的布爾運算較模型與平面剖面運算要復雜很多，相交線在空間呈現(xiàn)各種形態(tài)，存在多個相交區(qū)域[13-14]。針對采空區(qū)三角網(wǎng)格模型的布爾運算研究，關(guān)鍵點為：①快速判斷相交區(qū)域，準確獲取三角形間的相交線段和區(qū)域的交線，并依據(jù)交線重新剖分被切三角形;②如何準確判斷三角網(wǎng)格模型A的三角形在三角網(wǎng)格模型B的內(nèi)部或外部，準確判斷重新剖分生成三角形在三角網(wǎng)格模型B的內(nèi)部或外部。

通過大量的研究和實踐，該三角網(wǎng)格模型的布爾運算算法的核心主要包括3個部分：①空間三角形間的相交判斷并提取交線;②根據(jù)交線生成分界線和重新生成三角形;③切開的三角網(wǎng)的正負關(guān)系判斷和重新組合實現(xiàn)布爾運算。算法關(guān)鍵策略包括如何快速檢測可能相交三角形、判斷三角形相交的重疊線段法、切開三角形的重新生成、三角網(wǎng)的正負判斷。

2 集成系統(tǒng)開發(fā)

2.1 集成系統(tǒng)基本界面

CVIS集成系統(tǒng)是專門用于采空區(qū)三維激光掃描空間信息處理的集采空區(qū)信息管理、采空區(qū)激光探測點云數(shù)據(jù)去噪優(yōu)化、采空區(qū)三維模型構(gòu)建、模型可視化顯示及操作、模型編輯、剖面生成、采空區(qū)體積及頂板暴露面積計算、模型間布爾運算及可與第三方軟件交互等功能于一體的采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)。CVIS集成系統(tǒng)開發(fā)平臺為Windows7，采用功能強大的Visual C++開發(fā)環(huán)境和OpenGL開放性接口開發(fā)。系統(tǒng)選用最新類Windows Office界面風格——“NW Corner”（如圖7所示）。界面快捷條更短，色彩效果更為明快。Visual C++與OpenGL接口的高兼容性使得開發(fā)過程更為簡便、高效。

菜單根據(jù)特定的對象組織功能，比如默認菜單中包含：文件導入/打開、導出;清除屏幕;全屏顯示;恢復原始數(shù)據(jù);打開點模型、線模型、三角片面;2D/3D切換等工具。工具欄是一組與功能相關(guān)的圖標。工具欄能夠讓用戶直接找到常用的功能，而不需要從菜單中尋找。文件管理類似于Windows資源管理器，在文件管理中，通過打開、剪切、復制、粘貼和刪除文件或文件夾等工具管理文件和目錄。工作欄顯示工作目錄下選中文件的所有能識別的子文件。在圖層工作面板中，管理各圖層中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對多個圖層的集中管理。

CVIS集成系統(tǒng)中的大多數(shù)工作在圖形工作區(qū)進行。這是一個三維的工作區(qū)域，任何加載到圖形區(qū)的文件都具有x、y、z坐標。信息欄自動顯示工作區(qū)對象的一些信息，如模型三角片面總數(shù)量、模型體積、模型頂板暴露面積等。狀態(tài)欄中顯示鼠標光標的坐標位置及鼠標各鍵的功能提示。屬性面板顯示工作區(qū)對象的文件類型、文件路徑及信息欄內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)功能介紹

基于算法基礎(chǔ)，原始探測點云數(shù)據(jù)在載入系統(tǒng)時自動運行去噪算法，實現(xiàn)對三維建模點云數(shù)據(jù)的去噪優(yōu)化。在自動去噪不能完全濾除噪聲點時，系統(tǒng)支持根據(jù)工程經(jīng)驗確認噪聲點后手動予以刪除。在去噪并完成點云優(yōu)化后，系統(tǒng)構(gòu)建采空區(qū)三維可視化模型，并計算出采空區(qū)體積及頂板暴露面積。并且系統(tǒng)支持所構(gòu)建采空區(qū)三維模型的多方式顯示，便于對采空區(qū)狀態(tài)的直觀觀察和分析，還可實現(xiàn)對采空區(qū)模型進行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。同時，還可對模型進行剖切、修剪及模型間布爾運算。該系統(tǒng)還支持采空區(qū)體積計算、采空區(qū)頂板暴露面積計算?？赏ㄟ^將模型以正視圖顯示后用鼠標測定任意兩點的距離及網(wǎng)格直觀測量2種方式進行模型測量;還包括用戶管理、數(shù)據(jù)庫登錄及退出，以及采空區(qū)信息數(shù)據(jù)管理等基本操作。

另外，為了更好地進行數(shù)據(jù)對接，系統(tǒng)具有與CAD及Dimine、3Dmine、Surpac等三維軟件交互的接口（如圖8所示），可實現(xiàn)與其他常用軟件的對接[15-16]。具體功能列表如圖9所示。

3 工程應(yīng)用

廣東某地下開采金屬礦山Sh-600S2#南采場采用無底柱深孔后退式采礦法開采，該采場為礦柱采場。回采范圍為-600 m四分段至-550 m一分段，采場南北幫控制線分別為x=292.8、x=300.8，采場寬8 m。上部硐室采切完畢，采切高度4.0 m，下部硐室拉底巷已施工，采切工作已經(jīng)完成，采切高度3.4 m。采場上部硐室在-550 m一分段水平，下部硐室在-600 m四分段。采用CMS獲取其三維空間數(shù)據(jù)，利用CVIS集成系統(tǒng)進行三維可視化處理。采空區(qū)三維模型三視角顯示如圖10所示。

回采總體積包括回采過程中的礦石體積和廢石體積。為計算回采總體積，先根據(jù)采場采準切割后的實測剖面構(gòu)建采場上部硐室底板面模型、下部硐室頂

板面模型及切割天井模型，其方法是：從7次爆破采場的多個采準切割實測剖面中提取采場上部硐室底板邊界線、下部硐室頂板邊界線，并獲取切割天井中心點坐標（x，y），以此生成上部硐室底板面模型、下部硐室頂板面模型及切割天井模型。該采場上部硐室底板面模型、下部硐室頂板面模型、切割天井模型與采空區(qū)模型復合圖如圖11所示。

回采總體積的計算結(jié)果如表1所示。

4 結(jié) 論

1）CVIS集成系統(tǒng)是專門用于采空區(qū)三維激光掃描空間信息處理的集采空區(qū)信息管理、采空區(qū)激光探測點云數(shù)據(jù)去噪優(yōu)化、采空區(qū)三維模型構(gòu)建等功能于一體的采空區(qū)三維激光掃描信息可視化集成系統(tǒng)。

2）CVIS集成系統(tǒng)具有界面簡潔美觀，2D/3D數(shù)據(jù)導入、導出接口豐富，兼容性強，集成度高，文件格式精簡，數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理，操作簡便等優(yōu)點。

3）工程應(yīng)用表明，CVIS集成系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，適應(yīng)性強。該系統(tǒng)易于進一步集成處理采空區(qū)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)（位移變形、微震監(jiān)測信息等）、采空區(qū)穩(wěn)定性分析等功能，實現(xiàn)對采空區(qū)的安全性評價和預(yù)警。

[參 考 文 獻]

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Design and application of goaf 3D laser scanning information visualization integration system

Tan Langlang

（Changsha Work Safety Supervision Detachment）

Abstract：In order to better model and analyze the 3D data in goaf effectively，the goaf 3D laser scanning information visualization integration system is developed.Based on the core algorithm，the point cloud is filtered and analyzed to ensure the accuracy and speed of modeling.CVIS，a system specially used for three-dimensional laser scanning spatial information processing in goaf，Windows development platform，Visual C++ development environment and OpenGL open interface are used for the development.The developed system is tested and shows good stability，reliability and strong adaptability.The system will further integrate the functions of goaf related monitoring data processing and goaf stability analysis on the existing basis，and greatly realize the safety evaluation and early warning of goaf.

Keywords：goaf;3D modeling;integration system;point cloud processing;stability