三維激光掃描技術在地質測繪中的應用研究

杜宇

（晉能控股煤業集團 云岡礦，山西 大同 037017）

0 引 言

采空區一般是人工開采，在地下形成暴露面積較大、形狀不規律的空場，由于受地下空間的限制，采空區難以觀察。受工作面回采的影響，采空區容易發生塌陷，對井下的工作人員造成傷害，各種設備也會損壞，給煤礦造成巨大損失。由于激光掃描儀的實時性強、工作效率高、穿透性強，因而在采空區測量中被廣泛使用，通過三維激光掃描儀對采空區內的三維坐標數據進行測量，并對數據進行處理，通過建模軟件清晰完整的反映采空區內的形狀和特征。

1 地質概況

云崗礦礦井位于東經40°，北緯113°，屬于中高山區，礦井內地勢高低不一，井下采空區和巷道錯綜復雜，由于年代久遠，原始的圖紙和數據保存不完整，數據出現丟失，為了合理的開采資源，避免重復施工，浪費資源，對礦井建立三維可視化模型。三維激光掃描儀的掃描精度為毫米級，可以在高精度自動化測量的同時實現精準掃描。通過三維激光掃描技術，定位被測物體的絕對坐標，可以獲得被測礦井采空區的掃描點云數據，然后進行數據拼接，通過配套的模擬軟件對數據進行處理，就可以建立礦井的可視化模型。

2 三維激光掃描儀構件方案

三維激光掃描的作業流程如圖1 所示，通過對探測點進行三維激光掃描，將掃描儀采集到的點云數據導入模擬軟件中，對數據進行自動拼接、查看、降噪以及剪切等相關處理，得到測量區域的礦井點云數據，再對點云數據進行降噪、刪除孤點、精簡以及網格修復等優化處理，完成逆向建模，構建出采空區的點云模型和實體模型。

圖1 三維激光掃描作業流程Fig.1 3D laser scanning process

2.1 數據采集

三維激光掃描儀采用全站式掃描技術，在架設完儀器后，通過選擇測站點和后視點的三維坐標，進行點云掃描，快速生成該測站的點云數據，利用全站儀的功能特性，獲取下一個控制點的三維坐標，以此類推，獲得整個礦井的點云數據。

在此次云崗礦采空區測量中，設置3 個監測點，在采集數據時，采用固定標靶，將前后兩次采集的點云數據進行拼接，得到不同時間段下同一坐標內的點云數據。由于現場施工的環境比較復雜，存在很多遮擋問題，要獲得完整的三維點云數據，要對多個監測站進行掃描，系統通過約束條件計算整體誤差，如果誤差過大，再對監測點的坐標正確性進行判斷，以糾正誤差。

三維激光掃描儀獲取的礦井采空區的點云模型如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描空區點云模型Fig.2 3D laser scanning goaf point cloud model

2.2 數據拼接

為了確保點云數據拼接的精度，先進行粗略拼接，確定基準數據和待配準數據，使用軟件中的拼接工具進行拼接，將3 個監測點的數據依次進行拼接；然后進行精細拼接，對粗略拼接的結果進行處理，設置2 個控制點，利用控制點坐標對拼接結果進行校正。

2.3 去噪聲點

對點云數據進行去噪聲處理時，按照少去除多視角的方法，防止刪除真實有效的數據。通過平移和旋轉操作，從不同的方向觀察監測點的點云數據，先以俯視角的方位去除噪聲點，然后以底面和側面視角的方位去除噪聲點，得到高質量的點云數據。

2.4 點云濾波

對去噪后無序點的點云數據進行濾波，通過對比濾波方式，此次選擇高斯濾波方法進行點云濾波。

2.5 點云精簡

數據進行點云濾波后，要對重復存在的點云數據進行精簡處理。采用八叉樹結構進行精簡，在精簡后，一期的數據點從342 066 降為19 602 個，二期的數據點從227 114 降為18 423 個，大大減少了數據點。

2.6 網格修復

根據精簡后的數據在模擬軟件中進行實體模型重構，采用Delaunay 三角剖分算法，在簡化時模型會出現尖角、凸塊和孔洞等，因此要對模型進行消尖、平滑和補洞處理，對于小孔洞，采用修復工具進行修復，對大孔洞和邊界孔洞采用搭橋方式先進行分解，然后再采用修復工具進行修復，修復后的礦井采空區實測模型如圖3 所示。

圖3 采空區實測模型Fig.3 Goaf actual survey model

3 結 論

為了準確測量礦井采空區的實際形貌，以云岡礦采空區為研究對象，采用三維激光掃描技術采集數據，對點云數據進行拼接、濾波、精簡、網格修復等數據處理，結果如下。

（1） 根據實際監測結果可以看出，生成的三維立體模型真實地反映采空區的實際形貌，一號監測站測量的采空區體積為1 100.5 m3，二號和三號監測站測量的采空區體積為7 045.3 m3，頂板的厚度為25 m。

（1） 在保證模型精度的情況下，通過點云精簡，大大減少了數據量，在網格修復過程中遇到的尖角、凸塊和孔洞等缺陷，可以采用消尖、平滑、補洞和搭橋的方法進行處理。

（2） 采用三維激光掃描儀在短時間內獲取了礦井的點云數據，提高了測量的工作效率，點云數據與三維模擬軟件可以很好地銜接，為數字化開采及管理提供三維數據。根據實測模型，在后期現場進行實際測量時，成功對采空區進行了治理，為礦井的安全生產提供了保障。