移動式手持三維掃描儀在井下測量中的應(yīng)用分析

閆偉男，趙洪利，宋林澎

近年來，三維數(shù)據(jù)采集、測量和成型技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用范圍也從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展到不同領(lǐng)域。通過三維掃描儀井下開采整體規(guī)劃和制作步驟，最終確定井下測量的數(shù)值。井下測量工程不僅是基于一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還通過對不同井下空間測量的開采數(shù)據(jù)庫，然后進(jìn)行其他后續(xù)處理和分析，所以其工作流程根據(jù)對數(shù)據(jù)資料的處理可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)信息重構(gòu)和數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出。

1 傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)的測量路徑和空白區(qū)域使用全站儀測量法和距離法進(jìn)行測繪工程。在采集過程中，對齊頻率大，需要很多工作人員。采集效率低，數(shù)據(jù)信息為point-shot數(shù)據(jù)信息，不能全面表示空間數(shù)據(jù)，這就對井下數(shù)據(jù)和開采測量等帶來了一定的問題，不能達(dá)到精準(zhǔn)測量的目的。

2 移動手持式三維掃描儀測量

2.1 SLAM技術(shù)詳細(xì)介紹

SLAM（Simultaneous localization and mapping）同步精確定位和地形圖構(gòu)建技術(shù)最早是由RCSmith和P. Cheeseman科學(xué)研究明確提出的。技巧處理是從未知自然環(huán)境的井下和巷道空間未知地址考慮的。1986年，室內(nèi)空間的可變性是在動態(tài)測量的整個過程中，利用反復(fù)觀察到的地形圖特征（墻腳、柱頭等）來準(zhǔn)確定位自身的位置和狀態(tài)，進(jìn)而增加地形量根據(jù)自己的位置建圖，從而在建圖的同時準(zhǔn)確定位三維掃描儀的水中數(shù)值，該技術(shù)的基本原理主要應(yīng)用的是SLAM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。

2.2 儀器設(shè)備

選用法國GEOSLAM手持便攜式ZEB-REVO三維激光掃描儀，儀器配備LAM系統(tǒng)軟件，適用于移動即時快速測量，獲取高精度、高質(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)。關(guān)鍵是激光掃描頭、服務(wù)器、充電電池三部分組成。掃描頭凈重1kg，測量距離30m，掃描范圍：270°×360°。

手持三維掃描儀是一種用于探測和分析真實世界中物體或周圍環(huán)境的外形（幾何）和外部數(shù)據(jù)（例如色彩）的科學(xué)儀器；如表面反射率等。收集的資料經(jīng)常用于三維重構(gòu)，并在虛擬世界中建立真實對象的數(shù)碼模型。這些型號適用于各種工業(yè)設(shè)計、瑕疵檢測、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)航、地形測量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物、電影制作、游戲素材等。

3D掃描設(shè)備的制造并不依賴于一項技術(shù)，各種技術(shù)都有其優(yōu)點和不足，價格也存在差異。目前還沒有一種統(tǒng)一的、通用的重構(gòu)技術(shù)，其測量工具和方法常常受到對象的表面特征的限制。例如，光學(xué)技術(shù)在處理閃光（高反射率）、鏡面或半透明表面方面是困難的，而對于易磨損或易磨損的表面，則不能采用激光技術(shù)。3D掃描器被用于在物體的幾何表面上生成點云，點云密度越大，模型就越準(zhǔn)確（此過程稱為3D重構(gòu)）。當(dāng)掃描設(shè)備可以獲得物體的色彩時，可以將材料貼到重構(gòu)的物體上，這就是材料的印刷。

便攜式三維掃描儀的移動工作平臺包括2個萬向腳輪（1）、2個三角軸（2）、底座（3）、鑰匙桿（4）、工作平臺、槽（5）、固定板（12）和電纜滑輪（13），其中兩個萬向腳輪（1）分別固定在底座（3）底端的兩個角上，底座（3）的后側(cè)固定在鍵立柱（4），兩個三角軸（2）分別固定在鍵立柱（4）的底端，工作平臺安裝在鍵立柱（4）上，塞子的凹槽（5）固定在底座（3）的正面，將電纜滑輪（13）的芯子按圓柱驅(qū)動的方法安裝在鍵桿（4）的固定板（12）上軸。該裝置解決了便攜式三維掃描儀在工作全過程中必須實時移動的技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)簡單，實際操作方便。

2.3 三維掃描原理

礦山采礦測量技術(shù)為礦山技術(shù)和作業(yè)提供依據(jù)，具體指導(dǎo)采礦和制造中各種項目的準(zhǔn)確性，維護(hù)和監(jiān)督自然資源的有效開發(fā)和設(shè)計，對工程建設(shè)、制造和技術(shù)承擔(dān)雙向責(zé)任管理方法。采礦的全過程，所以測量的材料必須詳細(xì)、真實、可靠，這樣才能在采礦和制造中起到保證作用。近年來，隨著科學(xué)合理技術(shù)的飛速發(fā)展，礦山測量技術(shù)也是一項技術(shù)創(chuàng)新。本文的重點是結(jié)合手持式三維激光掃描儀的實際應(yīng)用，闡述三維激光掃描儀及其配套設(shè)施在礦山中的應(yīng)用。采礦和制造工程項目的主要功能。三維掃描技術(shù)可用于深入復(fù)雜的自然環(huán)境和現(xiàn)場掃描，即時采集各種大中型、復(fù)雜不規(guī)則實線的三維詳細(xì)數(shù)據(jù)，然后快速重建掃描出來的三維目的模型。

根據(jù)井下測量工程技術(shù)的引入和應(yīng)用，整合和改進(jìn)智能維護(hù)的各種需求，提供各種改進(jìn)數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)計方法，為更精準(zhǔn)的科學(xué)研究提供依據(jù)。本次科研使用Artec（MHT）便攜式掃描儀采集大、中、小型三維目標(biāo)的數(shù)據(jù)，利用Geomagic建模軟件完成數(shù)據(jù)的求解和實體模型的重建，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息和三維實體模型。研究通過參考井下測量工程的方法，展示了如何在具有復(fù)雜表面層和更多凸凹構(gòu)件的預(yù)制構(gòu)件中準(zhǔn)確地進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、實體模型重建和三維模型形成和打印。具有良好的實用效果和科研價值。根據(jù)激光測距的基本原理，得到儀器核心與掃描物體的距離，同時測量掃描物體返回的水平掃描角度值和垂直掃描角度值0，根據(jù)SLAM優(yōu)化算法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫的相關(guān)配對。

2.4 三維掃描測量執(zhí)行過程

第一，規(guī)劃數(shù)據(jù)采集線路，重置并逐步獲取云數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)加載功能在線下載點云數(shù)據(jù)。

第二，依靠GeoSLAM手機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

第三，使用Reconstructor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)打補(bǔ)丁、降噪、坐標(biāo)變換導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

第四，使用三維Reshaper軟件生成模型，將封裝好的實體模型導(dǎo)出為DXF文件格式。便攜式移動三維激光掃描儀采用LA精準(zhǔn)定位技術(shù)，與重型或背負(fù)式移動掃描儀相比，具有體積小、重量輕、便攜等優(yōu)點。在空間測量中進(jìn)行應(yīng)用研究，對地下停車場進(jìn)行檢查，獲取三維激光點云數(shù)據(jù)，制作切片提取地下豐闊平面云數(shù)據(jù)，在AD中制作總平面圖，并驗證其精度符合規(guī)格。大量的井下測量實踐結(jié)果表明，儀器獲得的云數(shù)據(jù)精度能夠滿足礦區(qū)地下空間測量圖制作的要求。

3 三維掃描測量實施結(jié)果

同時對多條路徑進(jìn)行最短路徑算法。在礦場掃描三個測量參考點（用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）后，以人的正常行走速度掃描路徑，即可采集數(shù)據(jù)。獲取信息后，通過手機(jī)軟件對云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、降噪、封裝，將實體模型轉(zhuǎn)化為云數(shù)據(jù)。填充體積和空隙體積可以在 三維 軟件中計算。

采用英國 GEOSLAM手持式ZEB-REVO三維激光掃描儀，可實現(xiàn)移動、實時、高精度的測量，高品質(zhì)的三維點云資料，以激光掃描器為主，三個部件，包括主機(jī)和電池。掃描頭重1千克，30米的距離，270度x360度的掃描。利用激光測距原理，測量了掃描目標(biāo)與掃描目標(biāo)的距離，同時測量了掃描目標(biāo)的側(cè)向掃描角 b和方向的掃描角o，利用 SLAM算法實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的相關(guān)匹配。

移動手持式掃描器的優(yōu)點是：工作效率高，人力資源少，常規(guī)的采掘方式，每個礦井都有一個站點，采用支距法和全站儀碎步測量方法進(jìn)行測向，每一條采掘通道3個人30分鐘，一臺手持式掃描儀啟動后1人以正常的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只需5分鐘。全站儀的測量是單一的，在有限的點集中，建立的模型精度較低；體積不夠精確，而點云數(shù)據(jù)龐大的掃描數(shù)據(jù)則能產(chǎn)生更高的精度和更精確的體積。

移動手持式三維激光掃描儀可以在很短的時間內(nèi)獲取點云數(shù)據(jù)，其使用方便靈活，獲取的空間數(shù)據(jù)更加精確，適合于井下巷道、空區(qū)等具有顯著特點的區(qū)域測量，可以極大的提高工作效率，節(jié)約人力。但是，在直伸形巷道中，由于特征點不明顯，其掃描精度存在較大的誤差，使其精度難以達(dá)到要求。

三維激光掃描技術(shù)是測繪工程中一項高精度、高效率的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于井下測量工程、三維可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等行業(yè)。便攜式三維激光掃描儀是一種三維激光掃描儀。其便攜性和高精度使其在井下開采過程中具有得天獨厚的優(yōu)勢。但在整個使用過程中，具體獲取的掃描數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性通常會受到儀器本身、整體掃描目標(biāo)和外部條件的影響。通過井下實踐，對便攜式三維激光掃描儀的偏差源進(jìn)行了分類，并對每個偏差源進(jìn)行了分析。比如，以EXASC門便攜式三維激光掃描儀為例，設(shè)計了相關(guān)的測試方案并對其精度進(jìn)行了測試、檢測和分析。

4 三維掃描測量精度識別

掃描精度使用環(huán)境對所有掃描區(qū)域的井下空間部分進(jìn)行識別，掃描時根據(jù)建筑物的鏡柱獲得全站儀的參考點。對比兩組數(shù)據(jù)，較大定位點間距離為±0.08m，滿足制造要求。 ZEBHORIZON手持移動三維激光掃描儀是法國GeoSLAM系列掃描儀的新成員。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，凈重僅1.3kg，測量范圍100m，它適用于室內(nèi)和室外條件。在三維掃描工作中，憑借其強(qiáng)大的SLAM技術(shù)，機(jī)器的相對精度可以達(dá)到3C水準(zhǔn)。由于手持掃描儀輕巧、小巧，在測繪項目的辦公環(huán)境中可以自由行走，即使在狹窄崎嶇的自然環(huán)境中也能輕松工作。100m的測量范圍可以滿足大部分測繪項目的要求。高視場可以輕松獲取大量數(shù)據(jù)信息，精致、方便、快捷的外觀設(shè)計，使其可以手持工作，也可以搭載在無人機(jī)、單肩包、活動裝置上，或通過機(jī)械裝置進(jìn)行加裝或倒裝，從而基于相同的規(guī)則實現(xiàn)現(xiàn)場測量自然環(huán)境不便。

橫坐標(biāo)為規(guī)格，縱軸為點云大小，激光測距規(guī)格較弱，24個認(rèn)證規(guī)格中，最小為0.632m，較弱者為2.5cm，較大者為43.105m。弱點是4.2cm。從實踐中可以看出，手持移動三維激光掃描儀得到的點云規(guī)格和紅外測距儀的檢測規(guī)格都在5cm以內(nèi)，并且隨著測量距離的變化，較弱的不擴(kuò)大也不縮小發(fā)展趨勢。從實測27.014m～13.105m來看，較弱者基本位于3cm～5cm中間?；诓蓸拥臉颖?，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差并分析結(jié)果。使用手持移動式三維激光掃描儀進(jìn)行礦區(qū)地下空間勘測，采集的數(shù)據(jù)信息無偏差，整體性，相對精度可達(dá)3cm，一定規(guī)格精度可調(diào)整至5cm，得到的點云可達(dá)1：500工程項目圖零件精度要求。

5 移動手持掃描儀的優(yōu)勢和應(yīng)用

5.1 提升工作能力

手持式三維掃描儀器可以提高工作能力，節(jié)省人員投資，傳統(tǒng)測量，每條采礦路徑設(shè)置一個測站，采用支撐距離法或全站臺步測法測量迎頭機(jī)動，測量一條采礦路徑3人耗時30min，手持掃描儀開機(jī)后，一個人以所有正常速度走來走去采集數(shù)據(jù)，只用時5min。ZEB-HORIZON手持式三維激光掃描儀用于礦山低層室內(nèi)空間勘測新項目中進(jìn)行應(yīng)用檢測。傳統(tǒng)的測量技術(shù)融合全站儀法進(jìn)行現(xiàn)場測量難度大、效率低。手持掃描儀不受外界條件影響，工作效率顯著提高。對某寫字樓的礦區(qū)地下空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用GNSS接收機(jī)將參考點放置在空曠區(qū)域，然后根據(jù)全站儀進(jìn)行先導(dǎo)測量，短時間之內(nèi)，只有測繪項目的工作量才能進(jìn)行測量，手持式三維激光掃描儀，現(xiàn)場測量時間約半小時，原始記錄量約幾G，將生成的三維點云切片。

5.2 提升測量精度

傳統(tǒng)的井下、巷道全站儀測量是點陣數(shù)據(jù)信息，相對有限的點生成模型精度差，體積不準(zhǔn)確，而掃描儀生成大量點云數(shù)據(jù)信息，精度高，體積更準(zhǔn)確。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及其在測繪工程領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越多的測繪項目必須使用三維激光掃描技術(shù)來采集和求解數(shù)據(jù)。根據(jù)工作模式和介質(zhì)的不同，三維激光掃描儀分為路架式三維激光掃描儀、背包式三維激光掃描儀、便攜式移動式三維激光掃描儀及其L波段三維激光掃描儀。其中，便攜式移動三維激光掃描儀體積最小，凈重最輕，比其他掃描儀更便攜。它只需要一個人拿著它來收集數(shù)據(jù)。它對自然環(huán)境的要求不高，可以達(dá)到可測量的。配合后期圖像處理軟件，可以輕松轉(zhuǎn)換成點云，無需進(jìn)行復(fù)雜的點云拼湊工作。在測繪項目中使用它，將進(jìn)一步提高野外工作的效率，提供更多的豐富性，結(jié)果顯示方式和二次應(yīng)用。

5.3 三維數(shù)據(jù)信息重構(gòu)

實體模型的重建主要是利用井下測量工程軟件Geomagic對掃描到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法和svm算法，重建出準(zhǔn)確的實體模型。Geomagic手機(jī)軟件具有強(qiáng)大的反模型功能。遵循點鏈接和不規(guī)則圖形鏈接的工作流程，可以很容易地從點云構(gòu)建最終的不規(guī)則圖形實體模型和樣條四邊形網(wǎng)格。映射，并將其轉(zhuǎn)換為NURBS坡度，該模型是高效的。Artec Studio掃描手機(jī)軟件在拼接掃描的數(shù)據(jù)信息時已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)預(yù)處理，并轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格圖的實體模型。在科學(xué)研究中，利用Geomagic手機(jī)軟件的關(guān)鍵模型對實體模型進(jìn)行擬合、診斷和修復(fù)，并對實體模型進(jìn)行裁剪和改進(jìn)。及其外觀等，以重構(gòu)數(shù)據(jù)信息。100m的測量范圍，在礦區(qū)地下空間的自然環(huán)境中，您可以邊走邊高效采集地下空間布局的空間數(shù)據(jù)。將點云切片并導(dǎo)入CAD后，即可進(jìn)行礦區(qū)地下空間制作所需的勘測制作工作。

5.4 SLAM技術(shù)優(yōu)勢

同時定位與建圖（SLAM）技術(shù)是移動測量的關(guān)鍵技術(shù)，也是近年來網(wǎng)絡(luò)科研的熱點。SLAM可以描述為：基于位置測繪工程環(huán)境的移動掃描系統(tǒng)軟件。傳感器獲得的信息識別出它的位置，同時逐漸構(gòu)建出體積不斷增加的周圍環(huán)境的地形圖。SLAM優(yōu)化算法利用傳感器獲得的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行標(biāo)定和配對。傳感器范圍越大，視場越寬，獲得和參與標(biāo)定的數(shù)據(jù)信息越多，配對偏差就越小。SLAM優(yōu)化算法大致可分為兩類：基于濾波器的方法和基于圖的方法基于濾波器的優(yōu)化算法僅使用當(dāng)前光電傳感器的測量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計算，因為它沒有考慮上一次的測量數(shù)據(jù)信息，在精確定位和地形圖構(gòu)建層面。根據(jù)圖提升的方法，采用全局提升配對方式，標(biāo)定采用從原始時間到當(dāng)前時間的所有測量數(shù)據(jù)信息，狀態(tài)不斷被新信息標(biāo)定，實際效果更強(qiáng).基于圖提升的SLAM優(yōu)化算法主要涉及前端和后端兩部分。前面部分負(fù)責(zé)合成方法，計算室內(nèi)空間管束的關(guān)系。創(chuàng)建室內(nèi)空間管束的關(guān)鍵是這兩種方法，一種是基于附近的傳感器。另一種是基于閉環(huán)控制測試創(chuàng)建的，即傳感器在整個行駛過程中一直返回到之前的地方生成一個閉環(huán)，然后生成室內(nèi)空間管理束關(guān)聯(lián)。后者負(fù)責(zé)改進(jìn)，優(yōu)化的基礎(chǔ)是前面生成的室內(nèi)空間束之間的關(guān)系。在移動掃描系統(tǒng)軟件的整個過程中，前臺不斷創(chuàng)建新的室內(nèi)空間管理協(xié)會，后者根據(jù)這個室內(nèi)空間管理協(xié)會不斷完善，優(yōu)化結(jié)果交給前臺攜帶出新的計算，前后端繼續(xù)進(jìn)行。移動掃描系統(tǒng)的相互實際操作促進(jìn)了移動掃描系統(tǒng)軟件現(xiàn)狀和組成方式的不斷升級。

6 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)又稱實景拍攝數(shù)據(jù)存儲方式，具有高效、高精度測量等優(yōu)點。三維測量技術(shù)發(fā)展迅速，日趨完善，在這個階段，三維掃描機(jī)器和設(shè)備正在逐步效率化。手持式三維激光掃描儀通過發(fā)射激光對被測物體進(jìn)行掃描，獲得被測物體表面的三維坐標(biāo)，其巨大的優(yōu)勢取決于快速掃描被測物體的能力。掃描可以立即獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)信息，無需反射面棱鏡。這樣，可以有效地進(jìn)行現(xiàn)實世界的三維建模和虛擬表示，移動手持式三維激光掃描儀可以快速獲取室內(nèi)空間點的云數(shù)據(jù)信息。調(diào)用對齊式掃描儀更加方便靈活，得到的空間數(shù)據(jù)庫更加準(zhǔn)確。在測繪工作中，可以大大提高測繪工程的工作效率，節(jié)省人員人力資源，但對于特征點不顯著的直伸斜井，掃描精度有一定誤差，需要進(jìn)一步研究和改善。