三維激光掃描技術在礦山巷道斷面測量中的應用

鄒 江

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局五總隊,貴州 安順 561000)

0 引言

巷道斷面測量是檢核巷道開挖質量與設計質量符合情況必不可少的一步,常規的全站儀加控制導線的實測方法效率較低,且只能以點線形式展示巷道開挖情況,無法多角度、立體式呈現巷道施工進度[1-3]。三維激光掃描儀的誕生將測繪技術引領到一種高精度、高效率、無接觸式測繪新領域。面對三維激光掃描儀的普及,國內工程院校、科研企事業單位都進行過深入研究與開發,關于該技術在巷道斷面測量中的應用相關文獻進行了詳細闡述。俞艷波、李小松等在《便攜式三維激光掃描技術在礦山地下巷道可視化建模中的應用》一文中論述了三維激光掃描技術可用于獲取井下巷道的三維可視化模型,為礦山建設監管提供數據支撐[4]。程華偉、錢小峰將三維激光掃描技術與傳統測量方法在巷道斷面測量中進行對比論證,得出了三維激光掃描技術可以提高巷道建模精度和效率的結論[5]。龐帆、何玉龍等采用端到端定位誤差、相對距離誤差、絕對點位誤差作為精度評測,驗證得出三維激光掃描技術在井下巷道測量中能達到厘米級精度[6]。劉宏亮將三維激光掃描技術運用于煤礦井下巷道斷面測量及巷道貫通測量,分析得出三維激光掃描技術能有效提高巷道斷面測量和貫通測量的效率及精度為巷道施工提供指導依據[7]。王博群等運用空間幾何方法從海量三維激光點云數據中快速、高精度地獲取到隧道中心點坐標與斷面信息[8]。牛家寬、錢小峰在《移動式三維激光掃描技術在礦山測量中的精度及誤差分析》中指出移動式三維激光掃描技術具有實時、快速、高精度的優勢,建議推廣用于礦山采空都區測量、巷道實體測量等礦山測量工作[9]。根據以上文獻資料及工程實例論述三維激光掃描技術在井下礦山巷道工程測量、巷道中軸線提取、縱橫斷面測量、三維建模等方面運用已經逐漸成熟。為此本文在已有研究成果的基礎之上,詳細介紹三維激光掃描技術應用于巷道斷面測量,并在提取斷面尺寸流程中介紹了專業應用軟件的使用過程。最終通過工程案例驗證了三維掃描激光技術獲取的斷面尺寸與設計值相差較小的結論。

1 TLS技術應用于斷面測量的工作流程

三維激光掃描技術應用在礦山井下巷道斷面測量獲取點云數據流程如圖1所示。

巷道區間為狹長空間,對于地面激光掃描儀的架設及外業測量工作極為不利,因此需要到現場進行踏勘,確定測站間距、標靶布設位置。掃描參數的合理設置有利于在確定的巷道長度和精度范圍內使用最少的掃描時間,為確保掃描進度高效及點云質量。斷面測量的目的是為指導巷道掘進和后續調整巷道中腰線、巷道施工提供基礎數據,為了獲取區間斷面的限界尺寸,點云數據要求為絕對坐標,作業時需要使用貫通測量控制點作為控制基準。三維激光掃描具體實施方案如下:

1)現場踏勘,制定掃描方案,布設控制點:外業掃描前需要收集相關的設計圖紙和控制點資料,現場踏勘、確認巷道內的控制點,對可用的控制點標記、保存。標靶點布設要合理,確保每站掃描過程中至少三個標靶在視場之內。標靶點選擇為顏色對比鮮艷,反光特性的材料制成,穩固且可靠。

2)外業掃描:考慮到巷道管片沒有明顯的特征點用于匹配拼接,獲取的點云數據要求為絕對坐標,外業掃描采用標靶聯系測量法和導線測量法。激光掃描測站及標靶布置如圖2所示。

可采用導線將各標靶點與控制點坐標精確的獲取,既提高了點云相對精度,又提高了模型的絕對精度,現場導線布設樣式如圖3所示。主要步驟如下:

a.在掃描前布設導線點,即地面激光掃描儀架站點(A,B,C,D,T1,…,Tn);其中A,B,C,D為已知點。b.儀器架設在B點,A點架設標靶作為后視點,A,B用已知坐標設站方法進行設站測量。c.完成B點設站后開始掃描,同時對T1點架設前視標靶進行精掃。d.T1設站時,將B點作為后視定向點,測站設置完畢開始后續掃描工作,T2點在本次掃描中作為前視點完成點云獲取工作。e.后續按照相同的操作步驟完成各站的定向與掃描工作,直至C點結束。儀器高與標靶高在每次架站時都要量取至毫米位,至此各站的點云獲取工作與導線測量工作均完成。f.檢查各測站的數據質量情況,檢查儀器高與標靶高正確與否,有無錯漏的情況發生。核對完成后對設站數據進行拼接,拼接報告中可以查看各導線點的坐標信息,導線總長度和閉合差信息。

開始掃描時,從開始的一端優先對控制點上的標靶進行精細掃描,由設備擬合出標靶中心點坐標后進行完整掃描。每一站掃描結束后移動前進方向尾部的兩個靶球至前方,保障每相鄰兩站數據間存在至少4個公共靶球,作為點云拼接的依據。由于井下巷道狹長、內徑小,為避免入射角過大時激光采集的數據反射率較低,采用約10 m一個站點的方式,不僅保證了數據的重疊范圍,也保證了靶球的可識別率。

3)點云數據預處理:外業工作中獲取的原始點云數據需經過加工才可應用,其中包括點云配準、點云去噪、點云模型構建。將不同測站坐標的點云統一至相同坐標系下,為后續工程應用提供數據基礎。

a.點云配準:點云配準即將不同測站獲取的點云數據變換至統一坐標系下,其中目標點云與參考點云之間尋找對應點成為了關鍵一步。假設目標點云P與參考點云Q之間存在變換矩陣H,(x,x′)為二者中的對應點,那么對應點之間的轉換關系如式(1)所示:

X′=HX

(1)

其中,X和X′分別為x和x′的齊次形式,旋轉變換矩陣H是由一個3×3的旋轉矩陣R和一個3×1的平移矩陣組成T矩陣(見式(2)):

(2)

關系式也可以表示為:x′=R3×3x+T3×1。

其中,旋轉矩陣R3×3為正交旋轉矩陣,可以表示為式(3):

(3)

其中,α,β,γ分別為沿x軸、y軸、z軸的旋轉角。6個配準參數需要至少三組對應點才能計算出來。

b.點云拼接:點云拼接工作是將具有不同坐標系的點云通過旋轉、平移變換為統一坐標系,即點云數據的拼接。本文采用基于控制點的拼接和基于標靶的拼接兩種方法。

c.點云去噪:該項工作是將與被測物體無關的多余點云剔除,可通過濾波算法過濾掉誤差點與錯誤點。巷道點云數據中需要剔除的噪聲主要包括管道、電線、支撐結構以及工作人員等。

d.點云簡化:外業掃描時,點云數據的采樣密度較高,存在巨大的數據冗余,造成數據量的龐大,對后期的處理和成圖、存儲、顯示帶來困難,同時也造成計算資源和人力資源的浪費,因此對點云數據的簡化處理尤為必要。

2 巷道斷面數據處理

巷道斷面數據處理主要包括:根據設計文件生成線路數據;以設計線路為準進行點云數據切片、中心線提取和限界計算。

1)生成設計線路:針對傳統方法在巷道斷面數據處理中效率低、三維可視化效果差、檢查困難等問題,采用C號編程語言和.NET API對AutoCAD進行二次開發完成的巷道斷面數據處理程序。根據設計數據按照一定的間距繪制平曲線和豎曲線及相關控制線。

2)點云切片:點云切片的目的是為點云的擬合做準備。以巷道的設計中線為基準,沿中軸線方向創建垂直于巷道中線的巷道斷面,點云數據切片的厚度根據實際需要進行設定。按照設計要求,直線段每6 m、曲線段每4.5 m提取一個斷面。

3)橢圓度計算:在提取斷面后進行長短半軸的測量,并求取橢圓度,參照式(4)進行計算:

T=2×(a-b)/D

(4)

其中,T為橢圓度;a為長半軸;b為短半軸;D為巷道內徑。

4)中心線提取:將切片點云投影到與設計中線垂直的平面上,斷面點云坐標由三維空間變換至二維空間,以便于巷道斷面擬合。根據轉換系數可實現斷面點坐標正向轉換和反向轉換。根據二維平面中斷面位置點和噪點判斷距離,剔除噪點,然后擬合巷道圓,獲取圓心和半徑。巷道圓擬合采用最小二乘法進行。

3 工程實例

以貴州某礦為實例,該巷道采用相向掘進的施工方式。為監測巷道施工質量并對已施工區段采取監測,使用LEICA P40激光掃描儀獲取點云數據,該儀器的主要技術指標見表1。在巷道的兩端設站導線作為掘進定向,同時在導線中架設如上文提到的設站方式,在掃描點云時注重儀器三腳架的穩定性,以防施工區段土質不穩定造成相同測站點云粗差過大的情況發生。

表1 徠卡P40的主要技術指標

為得到掃描區域的整體三維點云數據,儀器參數設置中掃描方式為全景掃描,即豎向270°掃描,橫向360°掃描,掃描過程中對標靶球和安置在控制點上的標靶點進行精細掃描,便于后期點云數據的拼接。公共點使用靶球固定在具體的掃描部位上,保證標靶的穩定性且具有一定的高差。為滿足點云數據的拼接要求,相鄰測站有3個公共點重合。

在外業中獲取到點云數據之后,導入軟件Cyclone中進行點云去噪、拼接、配準等預處理工作。在Cyclone Register模塊下,對預拼接后的點云根據掃描路線進行優化,然后對點云數據進行去噪和抽稀,得到完整的巷道點云數據。點云效果如圖4所示。

將點云數據導入3Dreshaper軟件中,提取巷道斷面的中軸線。本項目采用3Dreshaper軟件進行中軸線擬合提取,以圓形為依據創建巷道中線,采用最小二乘法進行擬合。巷道點云提取斷面示意如圖5所示。

由于斷面數據處理工作量較大,依靠巷道斷面數據處理程序,可批量處理內業數據,極大地提高了效率,并實現了斷面測量數據的三維可視化,在三維空間中便于查詢、檢查。

程序界面如圖6所示。程序使用的主要流程有:1)工程信息配置:設計線路參數。2)運行程序,根據設計參數繪制平曲線和豎曲線,計算逐樁坐標。3)導入斷面數據,對每個斷面進行空間圓擬合,得到實測圓心和半徑。結合設計線路求出橫向和豎向偏差,根據巷道斷面測量示意圖計算出左右橫距和頂底點高程。4)將計算成果按照設計要求的格式輸出,繪制斷面圖,斷面效果圖如圖7所示。5)對數據進行檢核,如果不合格,對工程配置和線路參數進行檢查。對得到的部分結構斷面進行分析,參照橢圓度計算公式,計算出橢圓度見表2。

最后擬合出巷道斷面的中心,與設計巷道中心點坐標進行對比,得到巷道的限界成果,見表3。實測值與設計值差值均在厘米級別,精度均勻分布,符合相應規范對中心點實測坐標的要求。按照要求的格式整理斷面測量成果表,作為后續調整巷道中腰線、巷道坡度基礎測量數據。

表2 橢圓度計算成果表

表3 巷道斷面測量成果表

4 結語

本文系統性敘述了三維激光掃描儀在巷道斷面測量中的外業工作和內業數據處理流程,其中包括了外業使用徠卡P40激光掃描儀獲取點云數據,內業使用Cyclone軟件進行點云數據預處理。使用3Dreshaper軟件以巷道軸線為基準并提取斷面數據,采用最小二乘算法對獲取的斷面數據擬合。通過與巷道設計軸線比較,獲取每個斷面的限界尺寸。試驗結果證明了充分利用三維激光掃描儀技術,可克服傳統的全站儀導線測量模式效率低、獲取數據單一、斷面數量不足等缺點,提高斷面測量作業效率及精度,在工程項目中具有較強的實用性。