三維激光掃描技術在井巷工程中的應用

朱海斌

(神華和利時信息技術有限公司，北京市東城區，100010)

巷道空間因其具有獨特的機構特征，一些測量手段不適用于地下空間。巷道空間實時變化，難以做出固定坐標點，依靠基準點的全站儀設備無法準確測量；在進行地下空間測量過程中，巷道地下空間也無法直接使用GPS信號輔助測量，因此傳統依賴GPS的測量儀器無法進行測量；另外，巷道空間結構復雜，傳統的測量手段難以一次性獲取全貌數據。

傳統的測量方式是對井巷固定間隔取一個斷面，在斷面兩幫和頂底板各設置一個點，然后測量兩幫以及頂底板測點之間距離的變化，得到巷道變形量。當發現區域變形量較大時，再對其進行加密處理并監測，然后通過得到的數據繪制兩幫和頂板的收斂量即收斂速率隨時間變化的曲線，通過分析得到巷道變形的規律[1]。但傳統的方式面臨數據傳遞不實時、數據采集不全面、數據形式不直觀、精度差等問題，同時人員勞動量較大。

三維激光掃描技術以高效、快速、非接觸、短時間獲得海量測繪數據等技術優勢迅速發展成為一種全新的空間數據獲取工具和手段，針對復雜巷道的測繪也十分適用，尤其在巷道基礎測繪、巷道變形監測中能發揮重要作用，能夠實現數據的實時傳輸，并且能夠全面采集巷道的高精度點云數據，從面的角度對巷道進行監測，得到全面、真實的監測結果[2-3]。本文對三維掃描技術進行了全面介紹，并且結合山西五家溝井工礦數字化項目，詳細介紹了三維激光掃描技術在井巷工程中的具體應用流程。

1 三維激光掃描技術

1.1 技術介紹

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠對井巷區域進行全方位的自動化掃描，掃描井巷表面全部的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字巷道模型。

1.2 技術原理

三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地獲取目標對象的大量數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破[4]。三維激光掃描測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光點坐標計算原理

三維激光掃描測量通常使用儀器自身的坐標系統，通過對物體三維信息數據的采集獲得距離觀測值s，精密時鐘控制編碼同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度α和縱向角度θ，其中X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由以上數據可得三維激光點P的坐標(X,Y,Z)坐標，計算式如下[1]：

(1)

1.3 三維激光掃描儀器

隨著三維激光掃描儀的應用越來越廣泛，人們對它的認識和研究也越來越深入，從而使得市場上三維激光掃描儀的種類也越來越多。按照載體的不同，三維激光掃描系統又可分為機載雷達激光掃描系統、地面三維激光掃描系統和便攜型三維激光掃描儀等。

機載雷達激光掃描系統多以無人機為載體，現在常用的機載雷達激光掃描系統一體化集成高精度激光掃描儀、GPS、IMU等傳感器，同步獲取三維激光點云和定位定姿數據，通過配備的數據處理和應用軟件，快速生成DSM、DEM，制作DLG和3D模型。機載雷達激光掃描系統掃描點云精度一般能達到厘米級，不適用于毫米級及亞毫米級精度要求的工程，但是由于該系統重量輕、攜帶方便、成果處理效率高，廣泛應用于應急測量、大比例尺地形測繪、電力巡檢、公路勘測、海岸島礁測量、地災測量等領域。機載雷達激光掃描系統無人機如圖2所示。

圖2 機載雷達激光掃描系統無人機

地面三維激光掃描儀系統的掃描儀是當前工業市場的主要機型。該機型要求設備與物體相對靜止，位置穩固。此類掃描儀精度高，耐用性好，多應用于近距離掃描場景中，且精度最高能達到毫米級，適用于文物測繪、高精度地形測量、建筑精細測繪以及工業精細化建模，但是由于站位式掃描需要后期對掃描的單站數據進行拼接處理，對于大場景的掃描工程工作量較大。地面站位式激光掃描儀如圖3所示。

圖3 地面站位式激光掃描儀

現在常見的便攜型三維激光掃描儀是手持掃描儀與車載掃描儀，此類掃描儀輕便小巧，易于攜帶，因適用掃描對象不同，掃描距離也有遠有近，精度范圍高的可達到毫米級、低的可到厘米級；本項目選用的slam激光掃描系統是最新的輕量級旋轉型激光掃描儀，支持手持、桿裝或者車載，每秒能夠記錄超過40000個測量點，具有IP6等級，可以承受危險和惡劣的環境，不需要GPS比傳統的測量或者站位激光掃描速度更快，特別適用于狹長復雜的巷道掃描工作。slam激光掃描儀如圖4所示。

圖4 slam激光掃描儀

1.4 三維激光掃描技術流程

整個三維激光掃描技術流程可以分為外業掃描、內業數據處理兩部分。三維激光掃描技術流程如圖5所示。

2 工程實例

筆者主要研究三維激光掃描技術在井下巷道變形監測中的應用，五家溝煤礦工作面煤層厚度大，結構較復雜，并且受泥巖、砂巖復合型頂板的影響，工作面開采過程中冒漏頂、片幫現象頻發，甚至出現支架壓死、耳座斷裂等異常礦壓現象，因此，需要頻繁監測巷道的變形情況，做好災害的預防工作，由于巷道空間實時變化，難以得到固定坐標點，依靠基準點的全站儀設備無法準確測量；巷道地下空間無法直接使用GPS信號輔助測量。在進行地下空間測量過程中，難以依賴GPS導航定位信號，導致傳統的依賴GPS測量儀器無法進行測量。另外巷道空間結構復雜，傳統的測量手段難以一次性獲取全貌數據。于是選用手持掃描儀對重點監測區域進行階段性掃描工作，工作主要分為數據采集、數據處理、精度控制三部分。

圖5 三維激光掃描技術流程

2.1 外業數據采集

2.1.1 現場踏勘

在進行巷道的掃描工作之前，首先對巷道進行綜合考察，包括巷道行車情況以及巷道走向，確定標靶位置與掃描方案。需要注意以下幾方面問題：一是合理規劃儀器行走路線及行進速度，可以減少冗余數據量的同時還能減少拼接誤差；二是合理布置掃描標靶，保證儀器能夠很好地識別標靶數據；三是保證單站掃描數據能拼接成一個完整的被測物體點云模型。

2.1.2 確定掃描方案

井下巷道掃描采集難點在于：井下工作環境復雜，通道狹長，空間有限，且車流量大。采用傳統的地面式掃描儀無法快速準確獲取完整數據，掃描過程中容易受到影響，且拼接誤差過大。針對這種情況，選取新型手持掃描儀，這種掃描儀具有體積小巧、靈活性強的特點，能夠手持、人員背負或者車載，在行進過程中即可完成對周圍數據的采集，并且掃描過程中能夠對數據進行自動拼接，大大保證了工作效率，減少拼接誤差。

本次掃描選用分段掃描法，由于巷道距離較長，一次性數據采集拼接容易累積誤差，影響采集數據的質量；所以選擇分段掃描，最后再利用人工手段對數據進行拼接處理，減少掃描累積誤差。

2.1.3 控制測量

由于掃描儀的坐標系統是獨立坐標系統，為了把坐標系轉換為實際地理坐標系，需要結合全站儀或者RTK進行控制測量，在掃描區域放置固定標靶，利用全站儀或者RTK等精密測繪設備獲取標靶地理坐標數據，作為最后掃描數據的控制點。

標靶作為數據點云拼接和坐標配準的控制點，要分布均勻，并且要保證有足夠的密度。因為掃描工作有時候要持續很長時間，所以標靶還要易于掃描和長期保存。

2.1.4 實施掃描

(1)設定起始位置。儀器掃描前需要設定儀器初始掃描位置，然后手持儀器進入巷道進行掃描，注意初始位置不要發生移動，如果移動會導致最終數據無法拼接。

(2)行走路線。根據儀器的拼接特性，行走路線要實現閉合，本工程掃描行走路線圖見圖6。

圖6 行走路線示意圖

(3)結束掃描。結束掃描時，儀器需要回到起始位置，檢查掃描數據是否完整，拼接是否完成，若拼接完好數據完整則掃描結束。

2.2 內業數據處理

測量數據處理工作是工程的關鍵，因為數據處理的結果直接影響建模的質量，這是由測量系統不成熟決定的，往往獲取的數據無法直接進行建模。因此在逆向建模之前首先要對外業采集到的數據進行預處理，目的是獲得完整、正確、高質量的掃描數據以方便后面的建模工作。主要工作包括點云拼接、坐標轉換、數據處理分析及數據輸出。

(1)點云拼接。將單站的數據拼接成一個整體的掃描物體，常用的點云拼接方法有基于標靶的拼接方法、基于特征點的拼接方法、混合式拼接方法和基于控制點的點云拼接方法，拼接過程中需要足夠的特征同名點作為數據支持。

(2)坐標轉換。這項功能是為沒有全局坐標的點云數據匹配全局坐標。

(3)數據處理分析。主要是對點云數據進行操作，可以實現對點云預處理以及點云的誤差分析。

(4)數據輸出。可以輸出多種文件格式，很好地與其他軟件實現交互。

2.2.1 數據拼接

筆者采用基于標靶的配準方式，由于前期在巷道內部放置了標靶，大大提高了配準精度。拼接完成后的巷道點云數據如圖7所示。

圖7 拼接完成后的巷道點云數據

2.2.2 坐標轉換

測量時全站儀和掃描儀會分別測得標靶中心的三維坐標。在某一掃描位置上的3個標靶的情況如圖7所示。分別利用掃描儀和全站儀測得標靶中心的坐標。掃描儀得到的坐標是基于掃描儀自身坐標系的，全站儀或者RTK得到的坐標數據是基于地理坐標系統全局的坐標系。

兩組數據采集完成后，將掃描儀測得的點云數據導入拼接軟件中，隨后把全站儀得到的控制點坐標數據以TXT格式也導入到軟件中，軟件通過計算各標靶的空間距離、角度、相對位置，根據它們的空間位置關系確定掃描儀得到的標靶控制點和全站儀得到的標靶控制點之間的對應關系。這個對應關系確認后即可計算坐標轉換矩陣，利用轉換矩陣就能把所有的掃描點云的局部坐標系配準到全局坐標系中。掃描儀坐標轉換工作原理圖見圖8。

圖8 掃描儀坐標轉換工作原理圖

2.2.3 巷道數字化建模

將處理好的數據導入專業建模軟件，進行井巷數字化建模，得到三維數字網絡模型如圖9所示。

圖9 巷道三維數字化模型

3 三維激光掃描數據在巷道工程中的應用研究

3.1 主要巷道底板、頂板變形監測

隨著礦井掘進的延伸，煤礦井下的主要巷道受采動、礦壓等影響會出現變形或者遭到破壞，如果發現不及時，無法及時支護和維護，將引發嚴重后果。

采用三維激光掃描技術不定時地采集巷道的三維數據，建立巷道數字化模型。同時，通過對比多次掃描模型，及時對主要巷道數據進行檢測分析，及時發現變化大的區域，做到早發現早修復，避免重大損失。巷道數字化模型分析圖見圖10，通過兩次數據對比生成兩次數據差異色譜圖，圖中綠色區域即為無偏差區域，不同的顏色會反映兩次數據的不同差值。

圖10 巷道數字化模型分析圖

3.2 巷道斷面分析

通過建立井巷數字化模型，可以直接提取巷道截面，并與設計巷道截面對比，得到掘進中巷道的截面與設計截面的偏差，及時調整掘進方案。調整前后的巷道截面對比圖見圖11。

圖11 調整前后的截面對比圖

4 三維激光掃描技術在巷道變形監測中的優勢及其應用展望

由以上分析可知，三維激光掃描技術在井巷工程中具有傳統測繪手段不可比擬的優勢。

(1)具有機動性、靈活性和安全性。手持三維激光掃描儀無需設置固定站位，只需要一名工作人員手持或者車載進行工作，小巧靈活，受環境干擾少，且為非接觸測量，在工作環境復雜的巷道工程中，相較于傳統單點接觸設站測量的技術手段有明顯的優勢。

(2)采集數據速度快。傳統井下測繪手段是單點測繪模式，采集數據速度慢；同樣長度巷道的數據采集工作，三維激光掃描技術的效率是傳統測繪手段采集數據效率的8～10倍，有絕對優勢。

(3)數據采集更全面更準確。由于傳統數據采集手段是單點數據采集模式，采集數據不全面，且容易受到工作環境影響，需要多名工作人員配合才能完成測繪工作；而三維激光掃描技術是多點三維測繪方式，能夠獲取全部巷道表面的三維點位坐標信息，數據更全面、更準確，并且巷道三維模型包含了地理信息、地區坐標系，保證了模型的尺寸和精度。

(4)數據成果利用率高。通過三維激光掃描技術得到的數據可以經過處理生成多種衍生數據，包括巷道三維模型、井巷斷面圖、井巷剖面圖、平面圖等，而且可以通過得到的巷道三維模型，進行任意位置的分析，無需重復反復測量。

利用三維激光掃描技術進行井巷工程數據測繪，可以對地下井巷數據進行快速獲取并進行三維建模，獲取井工礦復雜巷道的三維數字化模型，從而進一步進行巷道幾何信息、截面等信息的快速提取。三維激光掃描技術測繪手段豐富了井巷工程中測繪的成果類型，大大提高了井工礦開拓過程中的工作效率，并且能夠快速發現掘進過程中的安全隱患，及時進行支護修復，保證井工礦安全生產。

三維激光掃描作為一種新興的三維數據采集技術，以其快速、高效、高精度以及海量數據采集等技術優勢在各行各業都起到了至關重要的作用。這項技術具有較好的發展前景，同時也仍然存在一些技術性難題需要解決，例如三維數據中精度控制的問題，以及掃描數據的累計誤差難題。相信隨著科學及計算機技術的發展，在不久的將來這些難題都將被攻克，而三維激光掃描技術與逆向工程技術的完美結合也必將取得更加豐碩的科技成果。