基于GeoSLAM的礦山生產(chǎn)環(huán)境快速虛擬重構(gòu)研究

馬 駿 徐 帥 戴星航 紀(jì)旭波，3 王文軍

（1.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.遼寧石油化工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；3.山東恒邦冶煉股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264109；4.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

深部開(kāi)采過(guò)程常伴隨巖爆、大變形、大體積塌方等工程災(zāi)害和高溫高濕的開(kāi)采環(huán)境，使深部開(kāi)采難度越來(lái)越大，安全性要求越來(lái)越高。數(shù)字礦山、智慧礦山、無(wú)人礦山的建設(shè)正是化解地下開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低開(kāi)采災(zāi)害帶來(lái)的人員傷亡、設(shè)備損毀、資源損失與貧化的重要途徑。智慧礦山指應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)通信、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧采礦等多種技術(shù)手段，具有自主知識(shí)學(xué)習(xí)、自主運(yùn)行、生產(chǎn)智能決策功能的礦山［1-5］。智慧礦山建設(shè)中一項(xiàng)重要工作是對(duì)礦山真實(shí)環(huán)境的虛擬描述和表征。井下生產(chǎn)環(huán)境的三維模型重構(gòu)是目前對(duì)環(huán)境表征的一種行之有效的方法。

生產(chǎn)環(huán)境的重構(gòu)是空間信息集成、虛擬現(xiàn)實(shí)和智慧采礦的基礎(chǔ)。將礦山和地下的所有構(gòu)筑物、巷道、作業(yè)場(chǎng)所、生產(chǎn)環(huán)境等真實(shí)、完整地構(gòu)建成三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)礦山環(huán)境的實(shí)時(shí)預(yù)覽和智能化管理，為智能化、無(wú)人開(kāi)采提供環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。以往生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)常用方法是測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、生成二維圖紙，再交付專業(yè)建模人員借助建模工具生成三維模型。如荊永濱等［6］基于地下金屬礦山三維建模，建立爆破模型計(jì)算爆破量，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工；靳慧廣等［7］依據(jù)實(shí)測(cè)二維圖紙和鉆孔數(shù)據(jù)，借助DIMINE軟件再現(xiàn)了礦體形態(tài)和礦床品位分布狀況；徐靜［8］根據(jù)地質(zhì)勘查資料和生產(chǎn)資料，借助3Dmine礦業(yè)軟件建立礦區(qū)的地質(zhì)模型和礦體模型，直觀反映出了礦體位置和三維空間形態(tài)。但這些方法存在測(cè)量工作繁重、建模工作量大，精度低、較難反映生產(chǎn)環(huán)境的全貌，對(duì)復(fù)雜環(huán)境表征能力有限等問(wèn)題，且“測(cè)量—建模”的一次迭代周期長(zhǎng)，不能及時(shí)更正生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

使用三維激光掃描儀生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)三維環(huán)境模型是生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)的一項(xiàng)新技術(shù)。如王虎等［9］提出了基于三維激光掃描的復(fù)雜空區(qū)逆向建模流程，并開(kāi)展空區(qū)探測(cè)與治理的研究；石信肖等［10］首先使用三維激光掃描儀生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助Delaunay生長(zhǎng)算法處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)；王珍等［11］使用三維激光掃描儀重建礦山模型，然后分析計(jì)算表面積，為治理和修復(fù)廢棄礦山提供測(cè)量數(shù)據(jù)和決策。由三維激光掃描儀生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成模型的方法，較之以往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量生成二維圖紙?jiān)贅?gòu)建三維模型的方法，建模速度與精度有了顯著提升。但現(xiàn)有的三維激光掃描儀使用前的準(zhǔn)備工作量大，需要初始定位、整平、放置標(biāo)靶等多項(xiàng)準(zhǔn)備工作；儀器便攜度不高，靈活性差，不利于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境作業(yè)；掃描結(jié)果精度在厘米級(jí)，精度相對(duì)較差。

使用高精度、密集采樣的三維激光掃描設(shè)備是開(kāi)采環(huán)境精準(zhǔn)重構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。GeoSLAM系統(tǒng)搭配即時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）解決空間點(diǎn)坐標(biāo)定位問(wèn)題，去除掃描設(shè)備工作過(guò)程中需要人工不斷地進(jìn)行坐標(biāo)定位的環(huán)節(jié)，減輕掃描工作量，提高工作效率，擁有高精度、密集采樣特點(diǎn)，為井下虛擬環(huán)境重構(gòu)提供了一種嶄新途徑。本研究基于GeoSLAM設(shè)備，提出了應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的三維環(huán)境快速重構(gòu)工作流程；考慮對(duì)礦山原有數(shù)據(jù)的利用和實(shí)際生產(chǎn)需求，提出了GeoSLAM系統(tǒng)建模與工程測(cè)量數(shù)據(jù)建模相結(jié)合的井下生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)方法，并將其應(yīng)用于某金礦的井下生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)工作中，結(jié)果表明，上述所提流程和建模方法合理有效。

1 GeoSLAM系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

GeoSLAM系統(tǒng)是由GeoSLAM公司研發(fā)的用于重構(gòu)三維空間場(chǎng)景的一套包含軟硬件的三維激光掃描系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：①ZEB-REVO便攜式三維激光掃描儀，實(shí)物如圖1（a）所示，用于掃描生成空間坐標(biāo)點(diǎn)和相對(duì)坐標(biāo)定位；②對(duì)空間坐標(biāo)點(diǎn)云解算、預(yù)處理、封裝模型的一系列可視化及分析軟件。GeoSLAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成原理如圖1（b）所示。

GeoSLAM系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①掃描前期準(zhǔn)備工作量小，數(shù)據(jù)掃描無(wú)需布置控制點(diǎn)，極大地減輕了掃描前期準(zhǔn)備工作量；②掃描靈活、快速，支持手持、背負(fù)、車(chē)載等多種掃描方式，連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描方式靈活快速；③掃描精度高，ZEB-REVO使用100 Hz的激光掃描頻率，慣性測(cè)量單元和閉合掃描方法能夠矯正移動(dòng)誤差和累計(jì)誤差，生成數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差小，精度高；④點(diǎn)云處理和三維建模快速便捷，系統(tǒng)提供的軟件可將掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)解算為點(diǎn)云，軟件封裝了大量處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)工具和三維建模工具，點(diǎn)云處理和三維建模快速高效。

1.2 原理分析

GeoSLAM系統(tǒng)使用激光掃描器生成空間坐標(biāo)點(diǎn)，使用同時(shí)定位與地圖重構(gòu)技術(shù)解決坐標(biāo)點(diǎn)之間的相對(duì)坐標(biāo)定位，SLAM算法最先在機(jī)器人領(lǐng)域被提出，用于機(jī)器人自主定位和導(dǎo)航［12］。激光掃描器以一定的空間角度發(fā)射激光，統(tǒng)計(jì)發(fā)出脈沖與接收脈沖的時(shí)間差來(lái)計(jì)算掃描儀與空間點(diǎn)之間的距離，記錄空間角度和距離得到空間點(diǎn)相對(duì)激光掃描儀當(dāng)前位置的坐標(biāo)，隨著激光掃描儀的移動(dòng)，不斷生成不同時(shí)刻，相對(duì)激光掃描器不同位置的空間坐標(biāo)點(diǎn)，SLAM算法通過(guò)探頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和不同時(shí)刻不同位置空間點(diǎn)相對(duì)激光掃描器的坐標(biāo)，將所有的坐標(biāo)點(diǎn)映射到同一相對(duì)坐標(biāo)系中，這些坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成掃描物體的空間輪廓。ZEB-REVO中的慣性測(cè)量單元實(shí)時(shí)評(píng)估探頭的姿態(tài)和矯正測(cè)量人員行進(jìn)速度對(duì)測(cè)量距離的影響。通過(guò)激光掃描器和慣性測(cè)量單元的結(jié)合使用可有效克服激光雷達(dá)垂直分辨率低和測(cè)量人員運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)影響測(cè)量精度的問(wèn)題［13］。現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程中，測(cè)量人員手持儀器沿掃描路線行進(jìn)，再結(jié)合掃描移動(dòng)過(guò)程中測(cè)量探頭的周期運(yùn)動(dòng)，即可生成待測(cè)空間的三維空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)生成的原理如圖1（b）所示。

在提高掃描精度方面，由于SLAM算法處理原始數(shù)據(jù)時(shí)，是基于參照點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以確定點(diǎn)云的空間位置，當(dāng)掃描逐漸推進(jìn)時(shí)，掃描誤差會(huì)累積，一般使用環(huán)形閉合檢測(cè)修正里程計(jì)誤差［14］。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，操作人員盡可能地使設(shè)備結(jié)束掃描的最后位置和掃描開(kāi)始的位置完全重合，能有效提升數(shù)據(jù)的精度。為保證數(shù)據(jù)精度與準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量避免“原路返回”的測(cè)量路徑，測(cè)量過(guò)程中可進(jìn)行多次“小閉路”掃描來(lái)進(jìn)一步提升掃描數(shù)據(jù)的可靠性。

2 生產(chǎn)環(huán)境快速重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于GeoSLAM的生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)流程

生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)過(guò)程包含了外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)建模兩部分，整體流程如圖2所示。

外業(yè)測(cè)量包含掃描環(huán)境處理、掃描線路規(guī)劃、組裝儀器和現(xiàn)場(chǎng)掃描四個(gè)部分。井下環(huán)境復(fù)雜，為保證掃描過(guò)程中掃描儀能夠捕捉到足夠多的特征點(diǎn)，需要預(yù)先對(duì)掃描環(huán)境人為處理。對(duì)于環(huán)境特征單一的區(qū)域，可人為增加特征點(diǎn)；對(duì)于管線密集，或者有機(jī)車(chē)、鏟運(yùn)機(jī)、行人的區(qū)域，需要清除不必要的干擾因素，減少特征點(diǎn)數(shù)量。

掃描線路的規(guī)劃遵循“路線閉合，避免重復(fù)”的原則，為減少掃描累計(jì)誤差，掃描線路必須閉合。井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜的情況下，將大區(qū)域劃分為小區(qū)域，小區(qū)域內(nèi)的掃描路線確保閉合；各個(gè)小區(qū)域之間避免重復(fù)掃描。現(xiàn)場(chǎng)掃描過(guò)程中，按照規(guī)劃好的掃描路徑對(duì)待掃描區(qū)域進(jìn)行掃描，保持掃描范圍內(nèi)的空間變化連續(xù)平滑，以免造成掃描數(shù)據(jù)異常。

內(nèi)業(yè)建模工作包括數(shù)據(jù)導(dǎo)出、原始數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云建模、模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出和模型評(píng)估。首先將數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)解算為三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含大量重復(fù)點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、異常點(diǎn)，需要預(yù)處理后才能用于建模，最后借助系統(tǒng)提供的建模工具將點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維模型。

模型的好壞很大程度上依賴點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)掃描工作直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如果建立的模型和現(xiàn)實(shí)相差較大，需要排查重構(gòu)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，分析掃描過(guò)程中造成誤差的原因，重新設(shè)計(jì)掃描方案，進(jìn)行外業(yè)測(cè)量。從外業(yè)測(cè)量到內(nèi)業(yè)建模，然后評(píng)估模型質(zhì)量，對(duì)于不合格的模型，需重新外業(yè)測(cè)量。直到模型和現(xiàn)實(shí)環(huán)境相差很小，符合生產(chǎn)要求。

2.2 點(diǎn)云處理

實(shí)際掃描過(guò)程中，溫差、濃霧、粉塵、移動(dòng)機(jī)車(chē)、空間形態(tài)復(fù)雜等多種因素都會(huì)對(duì)掃描精度造成較大影響，產(chǎn)生大量的噪點(diǎn)和異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且儀器本身也存在一定的測(cè)量誤差。因此，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，盡量減小數(shù)據(jù)中由環(huán)境、設(shè)備造成的誤差。

點(diǎn)云預(yù)處理的內(nèi)容主要包含稀釋、降噪、裁剪、刪除體外孤點(diǎn)。稀釋處理是降低點(diǎn)云密度，去除重復(fù)測(cè)量的點(diǎn)，在減少空間點(diǎn)數(shù)量的同時(shí)保證點(diǎn)云呈現(xiàn)的整體空間形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，點(diǎn)云稀釋后將減輕建模的計(jì)算量，提高建模效率。降噪處理是組合使用多種濾波器去除掃描過(guò)程中造成的噪聲點(diǎn)和異常點(diǎn)，保證整體數(shù)據(jù)的平滑性。常用濾波器有直通濾波器、體素濾波器、統(tǒng)計(jì)濾波器、半徑濾波器、高斯濾波器和移動(dòng)最小二乘法光滑濾波器等，不同濾波器側(cè)重功能不同，組合使用能夠起到降采樣，去除噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)，平滑邊緣角的效果。刪除體外孤點(diǎn)處理是計(jì)算點(diǎn)云中和大量的點(diǎn)相距距離較大的點(diǎn)，通過(guò)判斷點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離關(guān)系，找出那些和大多數(shù)點(diǎn)無(wú)關(guān)性高的點(diǎn)，進(jìn)行刪除。點(diǎn)云的預(yù)處理使點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體上更加平滑，有利于后續(xù)建模。如圖3（a）是沒(méi)有處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云密度大、重復(fù)點(diǎn)多，存在噪聲點(diǎn)，巷道邊緣存在孤立點(diǎn)。借助點(diǎn)云處理工具，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行稀釋、降噪、去除體外孤立點(diǎn)后的點(diǎn)云如圖3（b）所示，可以看出模型輪廓清晰，不存在孤立點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，處理效果良好。

2.3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)是環(huán)境虛擬重構(gòu)的關(guān)鍵步驟。模型構(gòu)建的任務(wù)是將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)格，再由三角網(wǎng)格生成實(shí)體模型。GeoSLAM系統(tǒng)提供了“封裝”工具將點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格，再將三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體。系統(tǒng)還提供對(duì)三維實(shí)體的編輯、修改、漫游、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等工具，使得三維建模過(guò)程快速高效。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，選擇“封裝”工具，工具可以快速生成三維實(shí)體，快速生成的模型如圖4（a）所示。由點(diǎn)云初步構(gòu)建的“封裝”模型會(huì)存在孔洞、釘狀物、小通道、自相交等缺陷，需要對(duì)模型進(jìn)行修正。孔洞的解決方法是使用充填的方法，在孔洞上重新生成三角網(wǎng)格；模型上的凸起釘狀物，通過(guò)算法評(píng)估模型整體的平滑性，判斷檢測(cè)區(qū)域曲率與局域曲率是否相差很大，相差較大的區(qū)域存在凸起釘狀物的，需要將該區(qū)域曲率調(diào)整到和局部曲率相同來(lái)去除釘狀物。

GeoSLAM系統(tǒng)封裝了像“充填”、“網(wǎng)格醫(yī)生”、“流形”等工具可以快速檢測(cè)模型中存在的上述問(wèn)題，能夠達(dá)到一鍵自動(dòng)修復(fù)模型的程度。如圖4（b）是使用修復(fù)工具處理后的模型，可以看到巷道表面明顯光滑平整，模型完整。

2.4 組合建模

2.4.1 分區(qū)掃描的模型組合

建模區(qū)域過(guò)大的情況下，通常進(jìn)行分區(qū)域掃描，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)建模，然后區(qū)域之間組合成整體。對(duì)于分區(qū)域建模的情況，掃描時(shí)相鄰區(qū)域之間重疊掃描一定的面積，并且人為設(shè)置標(biāo)志物或者記錄坐標(biāo)點(diǎn)，用于模型組合。如圖5（a）、圖5（b）是分兩次掃描后建立的巷道模型，圖5（c）是組合后的巷道模型。

2.4.2 不同建模方法之間的模型組合

GeoSLAM系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)快速掃描和后期強(qiáng)大的建模工具，能夠快速生成生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)體模型，掃描儀通過(guò)密集采樣，能夠反映出巷道空區(qū)的細(xì)節(jié)。然而在礦山開(kāi)采過(guò)程中，已經(jīng)由測(cè)量人員測(cè)量了大量的二維圖紙，對(duì)于不需要精細(xì)化建模的區(qū)域，使用已有的二維圖紙建模；在需要精細(xì)建模的區(qū)域，使用掃描系統(tǒng)建模，將二維圖生成的三維模型和現(xiàn)場(chǎng)掃描構(gòu)建的模型組合，得到整個(gè)礦區(qū)的三維模型。這種利用現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)建模和特定區(qū)域的掃描建模相結(jié)合的方法，能夠極大節(jié)省建模成本和建模工作量，既復(fù)用了現(xiàn)有數(shù)據(jù)又滿足了特定區(qū)域精細(xì)化建模的需求。如圖6（a）是使用二維圖創(chuàng)建的三維巷道模型，圖6（b）是通過(guò)掃描創(chuàng)建的局部巷道模型，圖6（c）是二者組合后的模型。

3 工程應(yīng)用

某金礦區(qū)由于礦脈整體薄而分散，井下工程布置多而不集中，巷道跨度大，給生產(chǎn)規(guī)劃和日常管理帶來(lái)一定困難。為了礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境的全面掌握和方便管理，對(duì)該礦山開(kāi)展生產(chǎn)環(huán)境的重構(gòu)試驗(yàn)。

GeoSLAM系統(tǒng)重構(gòu)的區(qū)域位于該礦山下屬礦區(qū)-215 m中段，該中段巷道沿東北—西南走向布置，掃描區(qū)域南北跨度250 m，東西跨度150 m。對(duì)該區(qū)域掃描得到的點(diǎn)云，按照本文所提環(huán)境重構(gòu)流程，重構(gòu)得到該區(qū)域的三維模型。結(jié)合該礦區(qū)在生產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，由測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建出礦區(qū)井下三維模型，再結(jié)合GeoSLAM系統(tǒng)重構(gòu)模型，構(gòu)建出整個(gè)礦區(qū)井下環(huán)境模型，如圖7所示。

從井下環(huán)境重構(gòu)的最終效果可以看出，由礦山歷史測(cè)量數(shù)據(jù)生成的模型，能夠直觀反映出整個(gè)礦區(qū)的井下三維景象，重構(gòu)生成的巷道能夠反映出真實(shí)環(huán)境和巷道細(xì)節(jié)內(nèi)容，還原實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，2種建模方法結(jié)合，不僅提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的使用率，而且能滿足對(duì)特定區(qū)域精細(xì)建模的要求。

4 結(jié)論

（1）提出了基于GeoSLAM系統(tǒng)的井下生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)整體流程，該生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)流程主要包括數(shù)據(jù)掃描和三維建模2個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，按操作流程劃分為外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)建模兩部分。

（2）提出了GeoSLAM系統(tǒng)建模與工程測(cè)量數(shù)據(jù)建模相結(jié)合的井下生產(chǎn)環(huán)境組合建模方法。該方法不僅能夠有效利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，而且滿足了特定區(qū)域精細(xì)建模的實(shí)際生成需求。

（3）井下生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)的實(shí)踐結(jié)果表明，提出的生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)方法和流程合理、有效，并且具有周期短、迭代快、歷史數(shù)據(jù)利用率高的優(yōu)點(diǎn)，表明了Geo-SLAM系統(tǒng)可以作為一種新的三維環(huán)境重構(gòu)工具，服務(wù)于智慧礦山的建設(shè)。