狹窄及隱蔽地下空洞三維探測系統(tǒng)的研制

朱 琪，夏永華，王 沖，楊明龍，簡小婷，朱 文

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院；2.云南省高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南昆明 650093；3.昆明理工大學(xué)城市學(xué)院，云南昆明 650051；4.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明 650041；5.云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南昆明 650034；）

0 引言

近年來，國家大力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中會(huì)遇到各種類型的地下巖溶地質(zhì)問題［1］，導(dǎo)致地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動(dòng)、塌陷等問題發(fā)生，對(duì)工程建設(shè)和人員安全可能會(huì)造成極大危害［2］。因此，必須妥善治理地下空洞。

治理的前提是需要精確了解地下空洞的大小、形狀、走向等數(shù)據(jù)。但在實(shí)際測量過程中，通常由于下放孔徑小、空間形態(tài)復(fù)雜、埋深大、人員及測量設(shè)備無法到達(dá)、安全風(fēng)險(xiǎn)大等因素，難以準(zhǔn)確測量空洞數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)地下空洞探測手段包括地質(zhì)鉆探、電法、三維探測成像儀、鉆孔電視、地震反射和探地雷達(dá)等，但此類常規(guī)探測手段只能定位地下空洞的大致位置，無法精確探明地下空洞的三維形態(tài)和體積［3-4］。許漢華等［1］將鉆井電視放入鉆井孔內(nèi)查明空洞、溶洞充填物等，但由于設(shè)備的局限性，僅能檢測以探頭為中心兩米內(nèi)的范圍。李婕［5］采用地質(zhì)雷達(dá)從地表上向地下發(fā)射高頻電磁波，但該方法只能探測公路路基中溶洞的深度、介質(zhì)特性。石學(xué)錄等［6-7］通過鉆孔地質(zhì)三維探測成像儀檢測溶洞內(nèi)部情況，但該方法僅能分析鉆孔周圍巖體4 個(gè)方向的距離、形狀及平面體積和鉆孔的夾角。因此，傳統(tǒng)探測手段存在獲取形態(tài)和體積難度大、實(shí)時(shí)性弱、探測精度低、直觀性差等問題。

目前，不少學(xué)者采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)空洞進(jìn)行勘探，該方法是現(xiàn)階段獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段，具有高效率、精度高、無接觸等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有裝置包括Optech 公司的洞穴掃描系統(tǒng)CMS、GeoSight 公司的集成式三維激光測量系統(tǒng)礦晴MINEi、MDL 公司的地下空間三維激光掃描系統(tǒng)C-ALS［8］等，此類設(shè)備主要應(yīng)用于礦山空區(qū)、巷道，測量精度高，但價(jià)格十分昂貴。

為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，采用消費(fèi)級(jí)二維激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)以上設(shè)備功能。蔡澤宇等［9-10］采用二維激光雷達(dá)搭載上下行程云臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)三維空間掃描系統(tǒng)，只對(duì)研究目標(biāo)的三維模型進(jìn)行輪廓識(shí)別。黃風(fēng)山等［11-16］利用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)或俯仰裝置與二維激光雷達(dá)相結(jié)合，構(gòu)建一種旋轉(zhuǎn)二維激光雷達(dá)三維掃描測量系統(tǒng)，但掃描范圍和角度均在90～180°間，有效范圍微乎其微，難以滿足實(shí)際需求。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)一種適用于地質(zhì)勘探領(lǐng)域，獲取地下空洞三維數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過自主研發(fā)的激光掃描探頭采集數(shù)據(jù)，并開發(fā)了相對(duì)應(yīng)的裝置控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)顯示軟件，以獲取地下狹窄隱蔽空洞的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)和精度分析。

1 地下空洞三維探測系統(tǒng)

地下空洞三維探測系統(tǒng)（Underground Cavity Detection System-3D，UCDS-3D）主要由激光掃描探頭、固定支架、控制器、連接支桿及系統(tǒng)配套軟件組成，如圖1所示。

UCDS-3D 系統(tǒng)在探測勘探過程中，遇到的地下隱伏巖溶等其它空洞（見圖2）時(shí)，既能自動(dòng)獲取空洞的三維數(shù)據(jù)、視頻、照片等信息，又能探明巖石層信息、溶蝕、破碎等地下情況。

Fig.1 Composition of UCDS-3D system圖1 UCDS-3D系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

Fig.2 Underground cavity in geological exploration圖2 地質(zhì)勘探的地下空洞

1.1 工作原理

UCDS-3D 系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示，主要組件為激光掃描探頭。激光掃描探頭包括掃描端和探測端，掃描端采用低成本二維激光雷達(dá)，在每次掃描過程中雷達(dá)測距核心隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行全方位掃描，并發(fā)射調(diào)制后的紅外激光信號(hào)。目標(biāo)物體的反射信號(hào)將被雷達(dá)視覺采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過處理器解算得到目標(biāo)物體與雷達(dá)的距離、夾角信息，最后將數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸出。

根據(jù)雷達(dá)運(yùn)行規(guī)律，本文在配置驅(qū)動(dòng)器、控制板、姿態(tài)系統(tǒng)等裝置的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)與雷達(dá)二維坐標(biāo)系垂直的坐標(biāo)軸，以獲取目標(biāo)三維數(shù)據(jù)。其中，探測端采用紅外高清攝像頭、驅(qū)動(dòng)器、控制板等器件采集目標(biāo)區(qū)域內(nèi)視頻、照片等有效數(shù)據(jù)，探明巖層界面、溶蝕裂隙及破碎地帶，分辨空洞與溶洞充填物；外置控制器USB_485 端口與激光掃描探頭中的單片微型計(jì)算機(jī)（Micro Controller Unit，MCU）的TTL_485 端口連接，操控MCU 控制探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、電壓輸送、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

1.2 硬件組成

UCDS-3D 系統(tǒng)硬件主要由激光掃描探頭、固定支架和連接支桿構(gòu)成。其中，固定支架和連接支桿使用現(xiàn)有設(shè)備；激光掃描探頭分包含上、中、下3 部分，上端為探測端，中端為驅(qū)動(dòng)裝置、集成板和防護(hù)罩，下端為探頭端，規(guī)格為Φ10cm，H38cm，如圖4所示。

Fig.3 Flow chart of working principle of UCDS-3D system圖3 UCDS-3D系統(tǒng)工作原理流程圖

Fig.4 Composition of laser scanning probe圖4 激光掃描探頭的組成

二維激光雷達(dá)采用SLAMTEC 公司的RPLIDAR A3M1，該設(shè)備應(yīng)用激光三角測距技術(shù)，配合高速視覺采集處理器，具備高達(dá)16 000 次/s 的高速激光測距采樣能力。在檢測遠(yuǎn)距離物體、黑白物體切換及強(qiáng)光直射物體時(shí)，測距仍然保持穩(wěn)定，可在25m 半徑范圍內(nèi)進(jìn)行全方位激光掃描測距，產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息。RPLIDAR A3M1激光雷達(dá)具體參數(shù)如表1所示。

相較于其它品牌激光雷達(dá)，RPLIDAR A3M1 激光雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì)：①體積小，規(guī)格為Φ7.6cm，H4.1cm，幾乎是市場現(xiàn)有專業(yè)級(jí)或消費(fèi)級(jí)二維、三維激光雷達(dá)中規(guī)格最小的激光雷達(dá)；②低成本；③性能強(qiáng)，A3M1 較于同價(jià)位二維激光雷達(dá)的性能更強(qiáng)。

Table 1 RPLIDAR A3M1 parameter表1 RPLIDAR A3M1參數(shù)

1.3 軟件開發(fā)

UCDS-3D 系統(tǒng)軟件包含雷達(dá)配置軟件Slamtec RoboStudio 和自主開發(fā)的UCDS-3D-Data Conversion，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的可視化、預(yù)處理等功能。

1.3.1 Slamtec RoboStudio

Slamtec RoboStudio 一款可擴(kuò)展的機(jī)器人管理與開發(fā)的電腦桌面應(yīng)用軟件，能夠提供Frame grabber（幀抓取器）插件與激光雷達(dá)建立通信，調(diào)試圖形化、控制器掃描速度，顯示掃描視圖，獲取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息。

軟件包含Standard、Express、Boost、Sensitivity、Stability共5 種掃描模式，依據(jù)采樣頻率可將掃描模式量程分為6m、10m、16m、35m。在RPLIDAR 工作時(shí)，每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（見表2）將通過通訊接口進(jìn)行輸出，輸出格式為文本。

Table 2 Data information of RPLIDAR A3M1 sampling points表2 RPLIDAR A3M1采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息

1.3.2 UCDS-3D-DataConversion

地下空洞三維探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示軟件（UCDS-3D-Data Conversion and Visualization）是針對(duì)RPLIDAR 激光雷達(dá)自行開發(fā)的一款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及三維顯示軟件，主要包括文件輸入輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)顯示3 個(gè)模塊。軟件整體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

Fig.5 Flow chart of software design of UCDS-3D Data Conversion and Visualization圖5 UCDS-3D—Data Conversion and Visualization 設(shè)計(jì)流程圖

軟件基于Microsoft Visual Studio 2017（簡稱為VS2017）平臺(tái)，采用使用Q（t跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架）搭建框架，使用大型跨平臺(tái)開源C++編程庫點(diǎn)云庫（Point Cloud Library，簡稱PCL）進(jìn)行開發(fā)。其中，PCL 集成三維信息顯示、處理的關(guān)鍵技術(shù)和算法，包含許多點(diǎn)云處理的通用算法和管理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；Qt 通過Qt Visual Studio Tools 插件將開發(fā)工具集成至Microsoft Visual Studio 中，便于后期使用可視化圖形界面編輯器Qt Designer 設(shè)計(jì)操作界面。

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換頁面。首先讀取多個(gè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)文件中的有效數(shù)據(jù)；然后基于新構(gòu)建的三維坐標(biāo)系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)；接下來將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過通用格式進(jìn)行整合并寫入新建文件；最后輸出tx（t文本文檔）和PCD（Point Cloud Data）兩種格式的數(shù)據(jù)。圖6為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面。

Fig.6 Data conversion interface圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面

（2）數(shù)據(jù)顯示頁面。數(shù)據(jù)顯示頁面實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換后的三維數(shù)據(jù)，有助于操作者查看數(shù)據(jù)采集情況以分析數(shù)據(jù)的有效性，如圖7 所示。由于該軟件使用Qt 框架，需要首先使用Cmake 編譯對(duì)應(yīng)版本PCL 的VTK 源文件；然后將編譯后的二進(jìn)制文件放入Qt 文件夾中；最后在Qt Designer 工具欄中產(chǎn)生“QVTK Widgets”插件顯示功能，運(yùn)用此插件顯示三維數(shù)據(jù)。此外，PCL 中包含眾多類庫，數(shù)據(jù)顯示頁面包括公共模塊（Common）、文件讀寫模塊（IO）、表面重建模塊（Surface）、可視化模塊（Visulization）。

2 UCDS三維坐標(biāo)系的建立及轉(zhuǎn)換

UCDS 三維坐標(biāo)系主要由UCDS-3D 地下空洞三維數(shù)據(jù)探測裝置的掃描端數(shù)據(jù)構(gòu)建而成，該部分由雷達(dá)部分、驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、控制部分、底盤組成。其中，雷達(dá)部分通過傳動(dòng)部分與驅(qū)動(dòng)部分相連，由驅(qū)動(dòng)部分帶動(dòng)雷達(dá)部分旋轉(zhuǎn)，為二維激光雷達(dá)增加第三維度，構(gòu)建UCDS 三維坐標(biāo)系。

2.1 轉(zhuǎn)換原理

A3M1 雷達(dá)掃描得到被測對(duì)象的二維信息，包括距離值d（旋轉(zhuǎn)中心距離采樣點(diǎn)之間的實(shí)際距離）和夾角θ（當(dāng)前采樣點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)自身朝向的夾角），將其以極坐標(biāo)形式進(jìn)行保存，具體計(jì)算公式如下：

Fig.7 Data visualization interface圖7 數(shù)據(jù)顯示界面

A3M1 雷達(dá)遵循左手法則坐標(biāo)體系，在二維激光雷達(dá)掃描平面上建立二維坐標(biāo)系o-x1y1，坐標(biāo)系原點(diǎn)為掃描核心的旋轉(zhuǎn)中心o，傳感器正前方定義為坐標(biāo)系的x1軸（與二維激光雷達(dá)0°掃描光束的發(fā)射方向相同），y1軸的正方向與激光雷達(dá)90°掃描激光束的發(fā)射方向相同，具體坐標(biāo)系定義如圖8 所示。根據(jù)式（2）將掃描平面上P點(diǎn)的極坐標(biāo)(d1，θ1)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)(x1，y1)。

Fig.8 Definition of RPLIDAR A3M1 scanning data coordinate system圖8 RPLIDAR A3M1掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)系定義

如圖9 所示，P點(diǎn)所在面為初始掃描面，在機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)下，雷達(dá)以掃描核心為中心且垂直于水平面方向上旋轉(zhuǎn)角度α后得到第二次掃描面，并獲取第二次掃描面上的P'點(diǎn)極坐標(biāo)(d2，θ2)。此時(shí)，姿態(tài)系統(tǒng)輸出角度α（初始掃描面與第二次掃描面的二面角PoP'）。

Fig.9 Establishment principle of UCDS three-dimensional coordinate system圖9 UCDS三維坐標(biāo)系建立原理

為了整合激光雷達(dá)在同一位置不同垂直面的二維數(shù)據(jù)，需要以二維坐標(biāo)系o-x1y1和對(duì)應(yīng)掃描面旋轉(zhuǎn)角α為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)三維坐標(biāo)系o-x2y2z2。其中，o為掃描核心的旋轉(zhuǎn)中心，x1軸則轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系o-x2y2z2的z2，y1軸轉(zhuǎn)換為y2，然后由空間坐標(biāo)系右手法則獲取x2。如圖10 所示，根據(jù)初始掃描和第二次掃描兩種情況將三維坐標(biāo)系o-x2y2z2劃分為二維面x2oy2與二維面x2oz2，具體計(jì)算公式如下：

在三維坐標(biāo)系o-x2y2z2中，初始掃描面上點(diǎn)P(d1，θ1)旋轉(zhuǎn)角為0°，極坐標(biāo)形式為P(d1，θ1，0)，根據(jù)式（2）、式（3）可得三維坐標(biāo)P(0，d1sin(θ1)，d1cos(θ1))；同理，第二次掃描面上點(diǎn)P'(d2，θ2)旋轉(zhuǎn)角為α，極坐標(biāo)形式為P'(d2，θ2，α)，三維坐標(biāo)為P(d2sin(θ2)sin(α)，d2sin(θ2)cos(α)，d2cos(θ2))。因此，二維激光雷達(dá)多次掃描的數(shù)據(jù)可由UCDS 三維坐標(biāo)系進(jìn)行表示。

2.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

將UCDS 坐標(biāo)系下的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為國家大地坐標(biāo)系，融合測繪、地質(zhì)等各方數(shù)據(jù)，便于確定地下空洞的走向，有助于工程設(shè)計(jì)、施工和評(píng)價(jià)等方面使用。

如圖11 所示，UCDS 三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為二維激光雷達(dá)掃描核心的旋轉(zhuǎn)中心o2，過中心垂直于激光雷達(dá)為坐標(biāo)系的x2軸，y2軸的正方向與激光雷達(dá)90°掃描激光束的發(fā)射方向相同（平行于地面），激光雷達(dá)正前方為坐標(biāo)系的z2軸（垂直于地面，與連接支桿同方向）。

在固定支架上方添加一根標(biāo)定桿（共有標(biāo)靶點(diǎn)A、B、C）垂直于連接支桿，平行于二維激光雷達(dá)初始掃描方向。首先，通過測量工具獲取標(biāo)靶點(diǎn)A、B、C 在CGCS2000 的絕對(duì)坐標(biāo)A(xA，yA，zA)、B(xB，yB，zB)、C(xC，yC，zC)、AB 的水平距離DAB、BC 的水平距離DBC和標(biāo)定桿到激光雷達(dá)的高差h。然后，在不考慮地球曲率、UCDS 三維坐標(biāo)系、標(biāo)定桿及地面相互限定等條件下，取得原點(diǎn)o2在CGCS2000 系的絕對(duì)坐標(biāo)(xC，yC，zC-h)，點(diǎn)A、B、C 在UCDS 三維坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)為A'(0，DAC，-h)、B'(0，-DBC，-h)、C'(0，0，-h)。坐標(biāo)變換采用適用于任意兩個(gè)直角坐標(biāo)系統(tǒng)相互變換的布爾莎七參數(shù)變換模型，如圖12 所示。坐標(biāo)變換包含3 個(gè)平移參數(shù)x0、y0、z0和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)εx、εy、εz，考慮到兩個(gè)坐標(biāo)系尺度不一致，設(shè)定一個(gè)尺度變化參數(shù)m［17］，相應(yīng)的布爾莎七參數(shù)公式為：

Fig.10 Exploded view of three-dimensional coordinate system圖10 三維坐標(biāo)系o - x2y2 z2分解圖

Fig.11 Diagram of coordinate system transformation圖11 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

Fig.12 Bursa transformation model with 7 parameters圖12 布爾莎七參數(shù)變換模型

按最小二乘法對(duì)多個(gè)公共點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，存在如下觀測方程：

式（5）可轉(zhuǎn)化為誤差方程：

設(shè)觀測值等權(quán)觀測，則PLΔx=E，法方程為：

從而變換參數(shù)為：

通過變換參數(shù)，便可利用七參數(shù)將UCDS 三維坐標(biāo)系下的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CGCS2000國家大地坐標(biāo)。

3 可行性分析

為了驗(yàn)證UCDS-3D 系統(tǒng)的可行性和應(yīng)用性，模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及預(yù)處理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用一個(gè)大型紙箱（規(guī)格：2m×1m×1m）模擬地下空間場景，兩個(gè)小型紙箱（規(guī)格：0.49m×0.29m×0.52m，0.54m×0.42m×0.13m）增加模擬場景的復(fù)雜度。如圖13所示，連接支桿與激光掃描探頭組合置于固定支架上，距離地面大約2m，探頭位于大型紙箱中，傳輸線與控制器相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

Fig.13 Simulation experiment scene圖13 模擬實(shí)驗(yàn)場景

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模擬場景受客觀條件限制，一次只能掃描局部場景。因此，需要從兩個(gè)方向進(jìn)行掃描，第一個(gè)方向掃描旋轉(zhuǎn)角從0°開始、間隔3°旋轉(zhuǎn)掃描，每次旋轉(zhuǎn)后采集數(shù)據(jù)5～7s，共耗時(shí)約6min，獲取數(shù)據(jù)文件61 個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)52 182 個(gè)；第二個(gè)方向掃描將設(shè)備向后移動(dòng)0.5m，掃描旋轉(zhuǎn)角從0°開始、間隔3°旋轉(zhuǎn)掃描，共耗時(shí)約6min，獲取數(shù)據(jù)文件61個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)52 460個(gè)。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及預(yù)處理

將兩個(gè)方向采集的數(shù)據(jù)文件夾導(dǎo)入U(xiǎn)CDS-3D-Data Conversion 軟件后輸出三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)文本文檔。表3 為部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后比較。其中，轉(zhuǎn)換前參數(shù)包含激光雷達(dá)獲取的夾角、距離值、信號(hào)值和姿態(tài)系統(tǒng)獲取的旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)換后參數(shù)包含對(duì)應(yīng)點(diǎn)的x值、y值、z值。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過點(diǎn)云處理軟件查看數(shù)據(jù)情況，圖14（a）為第一個(gè)方向掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖14（b）為第二個(gè)方向掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由圖14 的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可見，由于激光雷達(dá)會(huì)采集目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)，會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余。同時(shí)，在采集過程中會(huì)受到采集設(shè)備自身精度、機(jī)械振動(dòng)、周圍環(huán)境等因素干擾，產(chǎn)生一些小振幅噪聲點(diǎn)和稀疏離群點(diǎn)。因此，首先需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，使目標(biāo)區(qū)域表面光順平滑，保持采樣表面原有的拓?fù)鋷缀翁卣鳎?8］，如圖15所示。

Table 3 Comparison of data before and after conversion表3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后比較

Fig.14 3D point cloud data of simulation scene圖14 模擬場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Fig.15 Denoising results of 3D point cloud data in simulated scene圖15 模擬場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪結(jié)果

由于每個(gè)方向基于特征匹配算法掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)均具有獨(dú)立坐標(biāo)系，包含多視點(diǎn)特性，不便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。因此，首先需要先將兩個(gè)方向去噪后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部幾何信息（例如曲率、法向量、鄰近點(diǎn)密度等）作為特征，尋找測試點(diǎn)集與參考點(diǎn)集的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合迭代最近點(diǎn)技術(shù)完成配準(zhǔn)操作，得到模擬場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，詳細(xì)配準(zhǔn)細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)［19-22］，配準(zhǔn)過程如圖16所示。

Fig.16 3D point cloud data registration process of simulated scene圖16 模擬場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程

3.3 精度評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步檢測三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，在現(xiàn)場用鋼尺實(shí)測邊長與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。中誤差m是衡量觀測精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，絕對(duì)值愈小表示精度越高，計(jì)算公式如下：

式中，Δ 為測量值與實(shí)測值間的誤差，n為觀測次數(shù)。由表4 可知，設(shè)計(jì)的UCDS-3D 系統(tǒng)獲取地下空洞三維數(shù)據(jù)的中誤差為0.003 5m，基本滿足誤差精度要求。

Table 4 Size comparison of edge between solid and 3D data表4 實(shí)體與三維數(shù)據(jù)的邊長尺寸對(duì)比 （m）

3.4 實(shí)地試驗(yàn)

為了驗(yàn)證地下空洞三維探測系統(tǒng)在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中的效果，將系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境（如圖17）中進(jìn)行試驗(yàn)。

圖18 為探測端采集地下空間的照片，掃描端耗時(shí)約7min，獲取數(shù)據(jù)文件68 個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)54 929 個(gè)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后如圖19（a）所示，并運(yùn)用PCL 的上采樣算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖19（b）所示。

Fig.17 Actual scene of underground cavity圖17 地下空洞實(shí)際場景

4 結(jié)語

Fig.18 Shooting scene map at detection end圖18 探測端拍攝場景

Fig.19 3D point cloud data of actual scene圖19 實(shí)際場景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

本文提出一套地下空洞三維探測系統(tǒng)，能夠精確勘探地下空洞的空間形態(tài)、體積、空洞走向等信息，為地質(zhì)設(shè)計(jì)、空洞治理和工程施工提供了可靠的基礎(chǔ)資料。系統(tǒng)首先通過UCDS-3D 地下空洞三維數(shù)據(jù)探測設(shè)備采集地下空洞數(shù)據(jù)；然后利用Data Conversion 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云去噪、配準(zhǔn)等處理；最后采用布爾莎七參數(shù)變換模型將地下空洞的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至CGCS2000 國家大地坐標(biāo)系，以便于融合測繪、地質(zhì)等數(shù)據(jù)信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定可靠、廉價(jià)實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡易，但由于測試設(shè)備不完善且受實(shí)際場地限制，只進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)，后續(xù)將優(yōu)化系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備，在真實(shí)場景中充分發(fā)揮掃描端與探測端的優(yōu)勢(shì)。