便攜式三維激光掃描技術(shù)在礦山地下巷道可視化建模中的應(yīng)用

俞艷波 李小松 蘇海華 李 琦 盧進(jìn)宏

(玉溪礦業(yè)有限公司, 云南 玉溪 653405)

0 引言

近年來,隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的變革和信息化,我國智慧城市建設(shè)發(fā)展迅速,城市地下空間的開采規(guī)模也達(dá)到了空前[1-3],尤其是采礦行業(yè),越來越被行業(yè)部門所重視。為了實(shí)現(xiàn)對礦山地下巷道的可視、可管、可控,需要借助現(xiàn)代數(shù)字化測量技術(shù)對礦山地下巷道進(jìn)行普查測繪,快速獲取地下礦道的三維點(diǎn)云模型和數(shù)字線畫圖,逐步實(shí)現(xiàn)對礦山地下巷道的智能化監(jiān)控,達(dá)到高效、科學(xué)的施工管理的目的。

近年來,隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步,三維激光掃描技術(shù)因其效率高、精度高、非接觸測量、不受天氣干擾等獨(dú)特優(yōu)勢備受關(guān)注[4-5]。與傳統(tǒng)測量不同之處是其突破了單點(diǎn)測量模式,能夠大面積快速獲取地面空間的三維點(diǎn)云模型,已廣泛應(yīng)用于測繪等行業(yè)[6-11]。本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)對礦山地下巷道進(jìn)行測量,通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,獲取了地下巷道的三維可視化模型,進(jìn)而對礦道的采礦量及采礦區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管和分析,幫助開礦者作出科學(xué)、可靠的決策。

1 測區(qū)概況

礦山位于云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)境內(nèi),屬山嶺地形,山脈總體走向南北方向,屬侵蝕剝蝕山地地形,地形起伏大,地勢陡峻。礦區(qū)位于緊靠哀牢山脈東側(cè)的戛灑江東岸,礦區(qū)距新平縣戛灑鎮(zhèn)12 km,距玉溪182 km,距昆明264 km,交通十分便捷。

礦區(qū)地形起伏大,地勢陡峭,加之井下開采深度大,現(xiàn)在礦山地表與井下開采平面的高差達(dá)到1 000 m,投產(chǎn)以來井下巷道總長度約890 km,使用的系統(tǒng)巷道長度約350 km。井下礦道錯(cuò)綜復(fù)雜,測量難度大,目前的測量方法只是全站儀,需要的測量作業(yè)員數(shù)量多,且測出的數(shù)據(jù)簡單,并不能反映地下巷道及采空區(qū)的真正情況。

為了最大限度地呈現(xiàn)礦山地下巷道的現(xiàn)狀,以便對采礦量及采礦區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管和分析,本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,對地下巷道開展三維立體測繪工作。

2 地下巷道三維數(shù)據(jù)采集

2.1 GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀

GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀(圖1)是英國GeoSlam公司最新的輕量級(jí)旋轉(zhuǎn)激光掃描儀,支持手持、桿裝或其他移動(dòng)平臺(tái),如車輛或無人機(jī),可通過目標(biāo)測量環(huán)境記錄超過300 000個(gè)測量點(diǎn)/s。其系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)處理算法無須控制點(diǎn)參與拼接,可以快速采集三維空間信息,適用于多種作業(yè)環(huán)境。

圖1 GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀

2.2 設(shè)計(jì)掃描路線

地下巷道掃描距離長,路線復(fù)雜。在進(jìn)行掃描時(shí),要根據(jù)掃描區(qū)域的規(guī)模、形狀、大小,合理地設(shè)置分站數(shù)和采樣密度,鄰近兩測站的掃描區(qū)域應(yīng)該有一定的重疊度,一般是30%～40%,最小不得低于15%。同時(shí)要建立導(dǎo)線控制網(wǎng),每站控制靶球數(shù)量不能少于4個(gè),且分布均勻。在數(shù)據(jù)拼接時(shí),需將全站儀等測量得到的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo),由點(diǎn)云處理軟件根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)。掃描過程不能有測站遺漏,每一站數(shù)據(jù)都要編號(hào),控制網(wǎng)及靶球的布設(shè)是關(guān)鍵,每個(gè)測站都要有重疊區(qū)域及重疊靶球。

2.3 控制網(wǎng)和靶球的布設(shè)

為了使三維激光掃描儀的坐標(biāo)和實(shí)際所需的大地坐標(biāo)基準(zhǔn)相同,應(yīng)在地下巷道內(nèi)布設(shè)一定密度和精度的靶球控制點(diǎn),形成地下導(dǎo)線控制網(wǎng)。

2.3.1控制網(wǎng)布設(shè)

在布設(shè)地下導(dǎo)線控制網(wǎng)時(shí),應(yīng)整體設(shè)計(jì),分級(jí)布設(shè);應(yīng)根據(jù)測區(qū)地形地貌、已知控制點(diǎn)、掃描目標(biāo)物的分布特點(diǎn)和精度要求,選定合適的控制網(wǎng)等級(jí)并進(jìn)行網(wǎng)形設(shè)計(jì);控制網(wǎng)布設(shè)應(yīng)選擇視野開闊、距離掃描主體較近的地方;控制網(wǎng)應(yīng)全面控制掃描區(qū)域,在分區(qū)進(jìn)行掃描作業(yè)時(shí),還應(yīng)對各區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配起到聯(lián)系和控制誤差傳遞的作用。

結(jié)合實(shí)際地形條件和地下巷道的位置情況,本次掃描采用附合導(dǎo)線的形式布設(shè)地下導(dǎo)線控制網(wǎng),控制點(diǎn)分兩組布設(shè),分別位于地下巷道起始兩端的地面位置。

2.3.2靶球的布設(shè)及勘測

控制標(biāo)靶和目標(biāo)球的布設(shè)非常關(guān)鍵,它不僅是拼合各次掃描點(diǎn)云的基準(zhǔn)點(diǎn),也是儀器內(nèi)部坐標(biāo)和網(wǎng)格坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的媒介,其位置要保持穩(wěn)定,不能安裝在變形體上。但掃描儀的視角有限,無法一次掃描變形體和穩(wěn)固地點(diǎn)的控制標(biāo)靶和目標(biāo)球。解決這個(gè)問題的方法是：在穩(wěn)固地點(diǎn)和變形體上安裝多個(gè)控制標(biāo)靶和目標(biāo)球,增加掃描站數(shù)。儀器由穩(wěn)固地點(diǎn)逐步掃描至變形體,根據(jù)穩(wěn)固地點(diǎn)的控制標(biāo)靶和目標(biāo)球中心坐標(biāo)修正變形體上的目標(biāo)球中心坐標(biāo)。

標(biāo)靶布設(shè)應(yīng)遵循以下原則：①標(biāo)靶應(yīng)在掃描區(qū)域內(nèi)均勻布置,且布設(shè)時(shí)注意高低錯(cuò)落;②每一掃描站布設(shè)的標(biāo)靶應(yīng)不少于4個(gè),且相鄰兩掃描站須有公共標(biāo)靶;③可將明顯特征點(diǎn)作為標(biāo)靶使用。

2.4 數(shù)據(jù)采集

2.4.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前,應(yīng)將GEOSLAM HORIZON便攜式三維激光掃描儀在觀測環(huán)境中放置半小時(shí)以上。作業(yè)時(shí),按照控制測量的技術(shù)要求設(shè)置相應(yīng)的點(diǎn)間距或采集分辨率,使得相鄰掃描站間有效點(diǎn)云的重疊度滿足一定的要求(通常不低于30%,困難區(qū)域不低于15%);各掃描站點(diǎn)可根據(jù)項(xiàng)目名稱、掃描日期、掃描站號(hào)等進(jìn)行命名,三維激光掃描儀在掃描過程中會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)掃描數(shù)據(jù),作業(yè)員應(yīng)在大比例尺地形圖、平面圖或草圖上標(biāo)注或描繪掃描站位置;設(shè)有標(biāo)靶的掃描站應(yīng)對標(biāo)靶進(jìn)行識(shí)別與精確掃描。掃描作業(yè)結(jié)束后,應(yīng)將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī),檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋的完整性、標(biāo)靶數(shù)據(jù)的完整性和可用性;若發(fā)現(xiàn)缺失和異常數(shù)據(jù),應(yīng)及時(shí)補(bǔ)掃。

2.4.2紋理圖像采集

紋理圖像投影像元應(yīng)符合表1的規(guī)定。拍攝圖像時(shí),應(yīng)保持相機(jī)鏡頭正對目標(biāo)面,若無法拍攝正面全景時(shí),應(yīng)先拍攝部分全景,再逐個(gè)正對拍攝,相鄰兩幅圖像應(yīng)滿足一定的重疊度,一般不低于30%,采集圖像時(shí)應(yīng)同步繪制圖像采集點(diǎn)分布示意圖,對紋理顏色有特殊要求的目標(biāo)面可配合使用色卡拍攝。

表1 紋理圖像投影像元技術(shù)要求 單位：mm

3 數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理及初始模型的建立

3.1.1點(diǎn)云配準(zhǔn)

采用分段掃描時(shí),每次掃描過程所獲取的點(diǎn)云屬于不同的參考坐標(biāo)系,為了將多次掃描獲得的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系中,需要對點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)[12]。

根據(jù)不同的作業(yè)方法,可選擇控制點(diǎn)、標(biāo)靶、特征地物點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。當(dāng)使用標(biāo)靶、特征地物點(diǎn)對點(diǎn)云進(jìn)行匹配時(shí),采用的同名點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不少于3個(gè),利用同名點(diǎn)建立轉(zhuǎn)換矩陣對點(diǎn)云進(jìn)行匹配,匹配后同名點(diǎn)的內(nèi)符合精度應(yīng)不低于特征點(diǎn)間距中誤差的1/2;當(dāng)使用控制點(diǎn)對點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí),可由控制點(diǎn)直接獲取點(diǎn)云的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)。

3.1.2點(diǎn)云拼接

現(xiàn)實(shí)世界中存在的都是立體空間物體,在進(jìn)行測量過程中,由于遮擋物的遮擋和光是沿直線傳播等各種客觀環(huán)境的影響,一次掃描不可能完整地記錄地面實(shí)物的所有特征。為了得到測區(qū)內(nèi)地面實(shí)物的所有數(shù)據(jù)信息,一般要在地面實(shí)物四周設(shè)置多個(gè)測站點(diǎn),通過不同角度各個(gè)方位對該地面實(shí)物進(jìn)行多次測量,得到不同測站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù),再對不同測站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,建立地面實(shí)物表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

為了將不同測站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起,需要找出掃描坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系的變換關(guān)系,一般情況下用一個(gè)3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和三維平移向量t描述,求出(R,t)就可以實(shí)現(xiàn)掃描坐標(biāo)系向全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

可以通過建立平面控制網(wǎng)的方法拼接點(diǎn)云,每站控制點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)量不能少于4個(gè),均勻分布,點(diǎn)云處理軟件根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)。在拼接時(shí),只需要在數(shù)據(jù)處理軟件中導(dǎo)入控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息,就能將所有點(diǎn)的坐標(biāo)通過參數(shù)變換成大地坐標(biāo),根據(jù)公共控制點(diǎn)重疊這一條件將各片點(diǎn)云連接起來。

3.1.3點(diǎn)云去躁

在掃描作業(yè)時(shí),由于各種測量誤差和不確定環(huán)境因素,不可避免會(huì)使測量數(shù)據(jù)中存在很多雜點(diǎn),雜點(diǎn)會(huì)影響曲面精度和模型質(zhì)量,因此必須刪除雜點(diǎn),而目標(biāo)提取就是刪除除了目標(biāo)物以外的其他雜點(diǎn)來獲得目標(biāo)點(diǎn)云的過程。

對于無序點(diǎn)云數(shù)據(jù),需要建立一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,便可對點(diǎn)云進(jìn)行去躁,常用的方法有空間單元格法、K-dtree法、八叉樹法。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整的掃描線數(shù)據(jù),可以采用最小二乘濾波、孤立點(diǎn)排異法、卡爾曼濾波法[13]。

一般情況下,可以采用最小二乘擬合法進(jìn)行點(diǎn)云濾波,擬合多項(xiàng)式的次數(shù)不同,擬合曲線接近地面實(shí)物的真實(shí)外形的程度也不同[14]。次數(shù)越多,擬合曲線也越接近地面實(shí)物的真實(shí)外形,但擬合精度不能通過增加多項(xiàng)式的次數(shù)來提高,因?yàn)橛锌赡茉斐赡骋粎^(qū)間內(nèi)大幅度偏離真實(shí)圖形的情況,選用的多項(xiàng)式次數(shù)一般不大于7,在地形起伏的實(shí)物表面應(yīng)當(dāng)采用分段擬合的方法。對于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪,需要對三維散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角剖分,在點(diǎn)與點(diǎn)之間建立拓?fù)潢P(guān)系,并在三角剖分域中建立數(shù)據(jù)點(diǎn)M的鄰域,再對域內(nèi)的M點(diǎn)和其他點(diǎn)的方差進(jìn)行計(jì)算,通過比較各點(diǎn)方差和閾值的大小,即可消除噪聲點(diǎn)。

3.1.4點(diǎn)云精簡

經(jīng)過噪聲去除和點(diǎn)云濾波過后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的,這將會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算工作。用最快的速度、最少的點(diǎn)來表示更多的信息是我們追求的。為了實(shí)現(xiàn)快速建模,在不影響點(diǎn)云模型精度的情況下,點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量可以適當(dāng)減少。基于掃描線的數(shù)據(jù)壓縮算法模型簡單,計(jì)算方便,但有時(shí)會(huì)刪除特征點(diǎn),適合掃描線多但每條掃描線所包括點(diǎn)不多的情況。每次掃描的點(diǎn)沿掃描方向線性排列在同一平面內(nèi),如果取樣點(diǎn)在同一平面內(nèi),通過前后兩點(diǎn)的斜率變化來表示,如果一個(gè)點(diǎn)和周圍兩點(diǎn)的斜率變化大,則說明它包括更多點(diǎn)的物體表面信息,應(yīng)該保留,如果取樣點(diǎn)不在同一平面內(nèi),則i點(diǎn)到其他兩點(diǎn)i-1、i+1的距離h可作為特征量。

選取云南省玉溪市戛灑鎮(zhèn)礦山地下巷道中的部分巷道(長度約5 km),將選取的巷道分為3個(gè)測區(qū),如圖2所示,對各個(gè)測區(qū)按照上述方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集(采集時(shí)間約為0.5 h),然后將各個(gè)測區(qū)的點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接,便得到整個(gè)巷道的三維點(diǎn)云(數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為1 h)。通過與全站儀實(shí)測的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較,得到點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度為5～8 cm。在此基礎(chǔ)上,對點(diǎn)云進(jìn)行去躁和精簡處理,圖3為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云模型(截取其中一部分)。

圖2 多站點(diǎn)云拼接效果圖

圖3 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云模型

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

原始三維點(diǎn)云經(jīng)過拼接已經(jīng)可以提取完整且平滑的背景層空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),三角網(wǎng)格化可進(jìn)一步增加模型的真實(shí)性。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是以三維立體平面形式表示出來的,它是點(diǎn)云數(shù)據(jù)階段到平面數(shù)據(jù)處理過渡的過程,是點(diǎn)到面必經(jīng)的一步。經(jīng)過精簡處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)可以大概表現(xiàn)出目標(biāo)物的輪廓、結(jié)構(gòu)等信息,數(shù)據(jù)網(wǎng)格化即通過點(diǎn)云結(jié)構(gòu)、點(diǎn)的分布構(gòu)建出無數(shù)個(gè)以數(shù)據(jù)點(diǎn)為頂點(diǎn)的TIN三角形,然后構(gòu)成模型的一個(gè)表面。在網(wǎng)格化生成平面時(shí)要不定時(shí)檢查平面質(zhì)量,因?yàn)楹罄m(xù)的特征提取是基于立體平面的,最終得到的三維模型必須是光滑、平整、真實(shí)的。基于三維激光掃描點(diǎn)云,快速構(gòu)建巷道的三角網(wǎng)模型,如圖4所示。

圖4 巷道的三角網(wǎng)模型

3.3 三維模型制作

三維模型分為規(guī)則模型和不規(guī)則模型。其中,規(guī)則模型的制作可采用交互式建模的方法,利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)或已測平面圖、立面圖、剖面圖進(jìn)行三維模型制作。對于球面、弧面、柱面、平面等規(guī)則幾何體,應(yīng)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合模型。

不規(guī)則模型的制作可通過點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)模型[15],并采用孔填充、邊修補(bǔ)、簡化、細(xì)化、光滑處理等方法對三角網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化,表面為光滑曲面的,生成其曲面模型可采用曲面片劃分、輪廓線探測編輯、曲面擬合等方法。圖5為不規(guī)則模型的修復(fù)效果圖。

(a)修復(fù)前

3.4 紋理映射

目標(biāo)表面紋理特征的模擬稱為紋理映射。在采集三維激光掃描數(shù)據(jù)的同時(shí)也用相機(jī)記錄了目標(biāo)物表面的圖像信息,將拍攝得到的圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配[15]。為了使模型最大限度地接近原始圖像,需要對模型進(jìn)行顏色處理,在建成目標(biāo)物的三維模型之后,把紋理特征映射到模型上。

圖6為選取的地下巷道中間部位的紋理映射效果圖。可見,經(jīng)過紋理映射,地下巷道的三維模型輪廓和幾何結(jié)構(gòu)特征清晰地呈現(xiàn)出來,這為快速尋找或探測巷道內(nèi)的采礦區(qū)提供了便捷。

圖6 地下巷道中間部位的紋理映射效果圖

3.5 模型精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的可靠性,將三維激光掃描獲得的地下巷道三維點(diǎn)云和經(jīng)全站儀實(shí)測得到的CAD底圖進(jìn)行套合比較(圖7),發(fā)現(xiàn)兩者的吻合度較高,幾乎達(dá)到95%,說明利用本文便攜式三維激光掃描系統(tǒng)獲取的地下巷道的三維模型精度較高(厘米級(jí)),滿足現(xiàn)有工程測量的精度要求。

圖7 三維點(diǎn)云與現(xiàn)有CAD底圖套合

4 結(jié)束語

本文采用便攜式三維激光掃描系統(tǒng)獲取了云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)礦山地下巷道的三維點(diǎn)云,通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、模型加工、紋理映射等,獲得了地下巷道的三維可視化模型,該模型可以反映現(xiàn)有地下巷道的采礦量及采礦區(qū)域現(xiàn)狀,解決了傳統(tǒng)方法在地下巷道或管廊測量中的不足。將三維點(diǎn)云和地下巷道CAD底圖進(jìn)行套合,兩者的吻合度較高,這表明了利用本文便攜式三維激光掃描技術(shù)獲取的地下巷道的三維模型精度較高,可以滿足常規(guī)工程測量的精度要求,為今后的城市地下空間測繪提供了可供參考的作業(yè)方法。