地下空間三維激光掃描智能化成像系統(tǒng)

張 達，陳 凱，馬 志

（北京礦冶研究總院，北京100160）

我國對于地下空間的了解，遠不及對于地表及太空的了解全面和深刻。為此，我國已經(jīng)將地下透明化工程作為重大關(guān)鍵技術(shù)進行專項攻關(guān)，來不斷拓展我國發(fā)展的戰(zhàn)略空間。地下空間探測，對于我國了解和掌握戰(zhàn)略性礦產(chǎn)和石油儲備資源，消除地下采空區(qū)安全隱患、分析地震災(zāi)害成因及規(guī)律等具有重要意義。

常見的地下探測手段包括電法探測、瞬變電磁、探地雷達、地震反射探測、地質(zhì)鉆探、三維激光探測、聲吶探測等。其中，地質(zhì)鉆探和地震反射探測適合于深部探測，電法、瞬變電磁等方法適合淺層探測，三維激光探測適合于地下空間精密探測，聲吶探測適合于地下含水空間測量。

然而，在這些探測項目中，地下空間的精密探測的需求越來越迫切，如，礦山采空區(qū)、地下溶洞、管道、隧道及地下人工構(gòu)筑物等。一方面，礦山采空區(qū)等正逐步成為我國最主要的危險源之一，對地表建筑、道路、橋梁甚至人民生命財產(chǎn)安全等領(lǐng)域帶來嚴重威脅；另一方面，礦山開采、隧道施工、地下管線測量、溶洞測繪等需求日益強烈，工藝的進步和效率的提升已經(jīng)將三維空間的高效、高精度獲取提上了迫切需要解決的日程。

國外在三維激光掃描儀領(lǐng)域的研究起步較早，并已形成了較為完善的產(chǎn)品系列。目前，主要的三維激光掃描測量系統(tǒng)生產(chǎn)商有英國MDL公司、加拿大OPTECH公司、澳大利亞的I－SITE公司、美國CYRA公 司、奧 地 利RIEGL公 司、德 國CALLIDUS公司等。這些公司的大多數(shù)三維激光掃描產(chǎn)品主要適用于較好的環(huán)境下的地面目標的三維形態(tài)掃描。

然而，在地下空間三維形態(tài)掃描方面，由于地下高溫、高濕、高塵、空間狹小、危險性大等情況，人員根本無法進入或由于安全原因不宜進入，傳統(tǒng)的三維激光掃描系統(tǒng)根本無法實施測量。目前，國內(nèi)外僅有OPTECH公司的CMS（空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)）和MDL公司的C－ALS（空區(qū)自動激光掃描系統(tǒng)）可以在地下使用。CMS在國外礦山應(yīng)用廣泛，主要用于對井下巷道、硐室及空區(qū)的精確掃描，效果良好。英國MDL公司的C－ALS系統(tǒng)主要應(yīng)用于某些特殊的地下測量場合，如露天開采境界下無法進入的空區(qū)、地下溶洞的探測，從地表打鉆孔然后伸入激光掃描器進行探測。

上述系統(tǒng)在國外地下空間探測，尤其是礦山空區(qū)探測中的得到了廣泛應(yīng)用，但是由于其價格昂貴，技術(shù)壁壘嚴重，很難在國內(nèi)普及應(yīng)用。如何解決適合我國國情的，智能化的地下空間三維激光掃描系統(tǒng)成為限制我國地下空間利用領(lǐng)域進一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

針對上述問題，本文提出了一種適合于地下空間三維成像的專用三維激光掃描測量系統(tǒng)BLSSPE，并針對無法進入的地下空間的高精度測量難題，提出一種空間分辨率增強方法，可大幅提高地下空間的成像質(zhì)量，為地下空間觀測、安全監(jiān)測、三維建模、形態(tài)探查等應(yīng)用提供高效的工具。

1 地下空間三維激光掃描系統(tǒng)

1.1 測量原理

BLSS－PE三維激光掃描測量系統(tǒng)主要由掃描主機、控制器、延長桿、標定系統(tǒng)、PDA和軟件系統(tǒng)組成，如圖1、所示，其外觀如圖2所示。

圖1 BLSS－PE三維激光掃描測量系統(tǒng)組成

其中，掃描主機主要由激光測距模組、軸向運動驅(qū)動器、徑向運動驅(qū)動器、主控制器、姿態(tài)校準系統(tǒng)組成，通過兩個方向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，帶動激光測距模組旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)三維空間點測量，同時，內(nèi)置由IMU慣性導(dǎo)航單元構(gòu)成的姿態(tài)校準系統(tǒng)，可對于航向角、傾斜滾動的變化進行實時補償。整個掃描控制有主控制器實現(xiàn)，其內(nèi)置嵌入式處理器，采用ARM9作為核心處理單元。

圖2 BLSS－PE三維激光掃描測量系統(tǒng)外觀圖

掃描主機主要通過激光發(fā)射到接收之間的時間差來計算掃描主機到被測目標之間的距離S，同時內(nèi)置精密編碼器同步測量每個激光脈沖對應(yīng)的軸向旋轉(zhuǎn)角α和徑向旋轉(zhuǎn)角θ，如圖3所示，由此可得到任意空間點P的坐標計算公式（式（1））。

式中：c為激光在大氣中的傳播速度；t為激光在待測距離上的往返時間。

圖3 計算原理

1.2 高防護設(shè)計

由于礦山井下環(huán)境惡劣，常伴有高溫、潮濕、多塵等因素，為了保證三維激光掃描測量儀在井下可靠工作，必須要求儀器具有高防護性能，目前礦用三維激光掃描儀的防塵和防水等級達IP66。

1.2.1 外殼密封設(shè)計

在礦用三維激光掃描儀設(shè)計中，采用了嚴密的密封手段，確保儀器可靠性。如，在殼體接縫處，加工了凹槽，并嵌入O型密封條，確保了外殼的嚴格防塵防水，如圖4所示。

圖4 O型圈密封方式

1.2.2 鏡頭防護設(shè)計

由于礦山井下環(huán)境惡劣，環(huán)境潮濕、多塵，雖然激光測距模塊自身IP防護等級達到IP67，但其鏡頭若本身不加防護措施，會很快有灰塵粘在鏡頭表面，影響激光的發(fā)射與接收，導(dǎo)致儀器靈敏度降低。另外，精密的鏡頭也有撞壞的危險。為此，需要設(shè)計鏡頭防護裝置，防止鏡頭被劃傷或被灰塵污染，其中包括鏡頭防撞外殼與激光濾光片，本項目選擇K9光學(xué)玻璃，通過加鍍增透膜，保證905nm波段測量激光透過率不低于99%。另外，鏡頭防護裝置可拆卸，方便更換。

1.2.3 旋轉(zhuǎn)部件防護

對于運動驅(qū)動的電機輸出軸，采用了唇形旋轉(zhuǎn)密封圈進行密封。同時，在密封圈外圍，又增加了迷宮密封設(shè)計。

VD形橡膠密封圈（JB/T 6994－1993），適用于油、水、空氣等介質(zhì)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較低的場合，起端面密封和防塵的作用，工作溫度為－40～100℃，密封材料選用丁腈橡膠（SN），XAI 7453。

1.2.4 電纜接頭防護

控制箱和三維激光掃描儀上均采用了高性能的瑞士LEMO防水接頭（圖5），確保電氣連接處的防護性能和接插件的拆裝便捷性。

2 三維激光掃描空間分辨率增強

2.1 空間分辨率影響因素分析

礦用三維激光掃描儀具有軸向和徑向兩個相互垂直的旋轉(zhuǎn)單元，可帶動測距模塊完成整個空間的全景掃描，通過測量得到的空間點云數(shù)據(jù)構(gòu)建被測目標的三維模型。

圖5 高質(zhì)量防水航空接頭

礦用三維激光掃描儀激光測距模塊測量被測物體距離值，可以構(gòu)建出空間（比如采空區(qū)）的三維模型。但是，由于被測物體空間形態(tài)相對于激光頭的距離遠近不同、形態(tài)各異、反射率大小、環(huán)境濕度、粉塵濃度大小等因素影響，掃描效果會受到不同程度的影響。

首先，被測物體距離遠近造成的影響。如果讓礦用三維激光掃描儀其中一個電機進行360°旋轉(zhuǎn)運動，另一個電機進行等步距角旋轉(zhuǎn)運動，對礦用三維激光掃描頭而言，空間角度分布是均勻的，但是由于被測空間形態(tài)相對于掃描頭的距離遠近不同，就會造成距離遠的地方掃描點云稀疏，距離近的地方，掃描點云密集。

其次，是空間輪廓凹凸形態(tài)的影響。如圖6所示，對于被測空間任意一點B，作其垂線l，并連接B點與激光頭所在位置A點，設(shè)直線AB與l的夾角為α，則由三角關(guān)系可知，α較小的地方，掃描點比較密集；α較大的地方，掃描點比較稀疏。

圖6 被測空間形態(tài)

另一方面，如果α＞90°，則這部分輪廓將不能被掃描到，造成空間掃描信息的丟失。光是沿直線傳播的，由于空間輪廓凹凸不平，會存后面的形態(tài)被遮擋，不能被掃描到。如果要解決這個問題，就必須更換掃描頭的位置，進行多站拼接掃描。

再次，空氣濕度和粉塵濃度大小的影響。激光頭的測量距離，隨著空氣濕度和粉塵濃度的增大而減小。并且，同等分辨率的掃描，距離近的地方掃描點密集；距離遠的地方，由于空氣中水汽和粉塵的影響，掃描點逐漸稀疏，直至不能返回數(shù)據(jù)。

最后，輪廓墻壁反光率的影響。反光率不同，就會造成空間掃描分辨率不同，很顯然，反光率好的地方，掃描點密集；反光率差的地方，掃描點稀疏。而影響反光率的因素主要因素是輪廓墻壁的材質(zhì)，不同材質(zhì)的輪廓墻壁，反光率不同。此外，影響反光率的因素還有空間內(nèi)的濕度、粉塵濃度以及輪廓的凹凸形態(tài)。

2.2 單觀測站自適應(yīng)空間掃描技術(shù)

礦用三維激光掃描儀軸向方向與徑向方向均采用高性能伺服電機與高分辨率碼盤，并采用電流－速度－位置三閉環(huán)控制。如果軸向電機做360°整周運動，就可以生成一條環(huán)形軌跡；如果徑向電機變換位置，旋轉(zhuǎn)一個小角度，軸向電機再做360°整周運動，就可以得到另一條環(huán)形軌跡；如果軸向電機連續(xù)進行360°旋轉(zhuǎn)運動，而徑向電機總共旋轉(zhuǎn)180°時，礦用三維激光掃描儀完成對整個被測空間的掃描。如果被測空間是一個球體，且掃描儀恰好在球心位置，則激光頭留下的掃描軌跡均勻分布；如果不滿足上述條件，掃描點云數(shù)據(jù)會存在有的地方稀疏，有的地方密集。如果想在任何被測空間環(huán)境都獲得均勻的掃描點云數(shù)據(jù)，需要進行進一步研究。

要實現(xiàn)對被測空間進行等空間分辨率掃描，需要從兩個層面進行改進，首先要實現(xiàn)所有的環(huán)形軌跡是等分辨率的，即在任一條環(huán)形軌跡的任意地方，與前后另外兩條環(huán)形軌跡的距離始終為。其次，在任意一條環(huán)形軌跡上，是等分辨掃描，即掃描速度與距離等因素有關(guān)，做單個環(huán)形軌跡上的變速度掃描。

在任意的空間范圍內(nèi)，眾多環(huán)形掃描軌跡都能等間距分布，這就需要兩個電機同時運動，軸向電機做360°旋轉(zhuǎn)運動，徑向電機依據(jù)激光頭測量值的大小，做角度調(diào)整。當激光頭反饋來的距離值較大時，徑向電機偏轉(zhuǎn)的距離較?。划敿す忸^反饋來的距離值較小時，徑向電機偏轉(zhuǎn)的距離值較大。同時，還要考慮空間輪廓凹凸不平時，對空間分辨率的影響。最終，對于不同的空間環(huán)境，無論遠近，無論空間輪廓形態(tài)如何，都能留下一系列不規(guī)則的環(huán)形掃描軌跡。

在單一的環(huán)形掃描軌跡上，由于距離等因素，也會造成掃描的疏密不同。為了解決這個問題，需要在單一掃描軌跡上，做變速率掃描。同理，當激光頭反饋來的距離值較小時，軸向電機的旋轉(zhuǎn)速度較快；當激光頭反饋來的距離值較大時，軸向電機的旋轉(zhuǎn)速度較慢。當然，也要考慮空間輪廓凹凸不平對分辨率的影響。除此之外，徑向電機的傾角，也是影響單一環(huán)形掃描軌跡的重要因素。如圖7所示。當激光頭反饋來距離值為d，徑向電機傾角為β時，連接激光頭所在位置A以及空間點B。

圖7 徑向電機傾角

在徑向電機傾角為時，如果距離值始終為d，則軸向電機旋轉(zhuǎn)一周，激光頭留下的軌跡如圖虛線所示。則軸向電機旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該調(diào)整為以前δ倍，其中δ表達為式（2）。

選取2m寬，3m高，40m長的狹長空間為試驗場所，掃描點—激光頭連線與輪廓墻壁法線夾角較大，并且輪廓個別地方凹凸不平。分別采用等角度掃描和自適應(yīng)掃描方法進行掃描，效果分別如圖8中（a）圖和（b）圖所示。

圖8 不同掃描方式對比圖

通過對比可知，等步距角掃描方式得到的點云數(shù)據(jù)，隨著距離的增加逐漸稀疏；而自適應(yīng)掃描方法得到的點云數(shù)據(jù)始終比較均勻，效果更好。

3 點云數(shù)據(jù)拼接與姿態(tài)修正

3.1 多觀測站空間點云拼接方法

礦用三維激光掃描儀測量獲取的點云數(shù)據(jù)是相對儀器本身坐標系的。在利用礦用三維激光掃描儀對礦山地下空間進行三維形態(tài)掃描時，獲取的點云數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換到礦山坐標系。利用全站儀和礦用三維激光掃描儀可以實現(xiàn)將激光掃描系統(tǒng)獲取的點云據(jù)從相對坐標的轉(zhuǎn)換成礦山絕對坐標系下的點云數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)步驟如下：①利用全站儀獲取礦用三維激光掃描儀兩個靶標的坐標點P1、P2，，其中P1點為礦用三維激光掃描儀坐標原點，P2為后端靶標中心點；②通過全站儀測量的坐標點P1、P2可以計算出整個礦用三維激光掃描儀的方位角α3；③利用礦用三維激光掃描儀系統(tǒng)內(nèi)部的傾角傳感器可以測量系統(tǒng)的傾角α2和滾動角α1；④把相關(guān)參數(shù)輸入礦用三維激光掃描儀坐標拼接菜單（圖9），可以實現(xiàn)多觀察站空間點云拼接，由于礦用三維激光掃描儀內(nèi)部姿態(tài)傳感器獲取的傾角α2和滾動角α1在點云數(shù)據(jù)形成時已經(jīng)進行轉(zhuǎn)換，為此對應(yīng)的坐標拼接姿態(tài)角只需要輸入礦用三維激光掃描儀方位角。

圖9 坐標映射菜單

點云拼接見式（3）。

為了驗證礦用三維激光掃描儀點云拼接效果，選擇某礦山地下采空區(qū)作為實驗地點，該采空區(qū)使用礦用三維激光掃描儀一次不能夠完整的反映采空區(qū)的形態(tài)，為了完整的反映采空區(qū)的真實形態(tài)，選擇兩個出礦進路進行測量，然后使用礦用三維激光掃描儀的點云拼接功能進行拼接，圖（10）為采空區(qū)點云拼接結(jié)果。

3.2 掃描系統(tǒng)姿態(tài)修正

礦用三維激光掃描儀掃描獲取的點云數(shù)據(jù)是相對于儀器本身坐標系的，而礦用三維激光掃描儀在礦山現(xiàn)場掃描時，儀器并不能保證安放水平并且沒有翻滾，這樣掃描獲取的點云數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際空間形態(tài)姿態(tài)會存在很大差異，為了保證掃描獲取的點云數(shù)據(jù)姿態(tài)與實際空間姿態(tài)一致，就有必要進行掃描點云數(shù)據(jù)姿態(tài)修正。礦用三維激光掃描儀內(nèi)部安裝了上海直川的傾角傳感器，如圖11所示。

圖10 采空區(qū)點云拼接結(jié)果

圖11 礦用三維激光掃描儀內(nèi)部傾角傳感器

傾角傳感器可以獲取礦用三維激光掃描儀的傾角和滾動角，礦用三維激光掃描儀在運動回零完成之后可以獲取儀器本身的姿態(tài)，后續(xù)獲取的點云數(shù)據(jù)在解析的時候會根據(jù)獲取的姿態(tài)對點云數(shù)據(jù)進行姿態(tài)修正，保證掃描獲取的點云數(shù)據(jù)與實際空間姿態(tài)一致。

4 工業(yè)應(yīng)用

為了充分驗證礦用三維激光掃描儀的自適應(yīng)掃描效果，選擇安徽某礦的采空區(qū)進行驗證。該實驗地點是井下－485中段24號采空區(qū)，采空區(qū)視野開闊、通風(fēng)條件良好、安全性很高。同時環(huán)境溫度為25℃左右，濕度為80%左右，基本沒有粉塵。

礦用三維激光掃描儀攜帶至采空區(qū)下盤出礦進路之后，開始進行礦用三維激光掃描儀掃描前準備工作，具體操作包括打開掃描儀箱、開啟掃描控制器、組裝礦用三維激光掃描儀、連接線纜、打開筆記本，所有操作由一人完成，圖12為現(xiàn)場礦用三維激光掃描儀組裝之后效果。

圖12 礦用三維激光掃描儀現(xiàn)場安裝

為了驗證礦用三維激光掃描儀常規(guī)掃描方式與自適應(yīng)掃描方式之間的差異，首先使用軸向優(yōu)先掃描方式對該采空區(qū)進行掃描，掃描片層角度設(shè)置為1°，圖13為軸向優(yōu)先掃描結(jié)果。

圖13 軸向優(yōu)先掃描結(jié)果

其次采用自適應(yīng)掃描方式對該采空區(qū)進行現(xiàn)場掃描，自適應(yīng)掃描的點云分辨率12mm，掃描終止角度設(shè)置為90°，圖14為自適應(yīng)掃描結(jié)果。

圖14 自適應(yīng)掃描結(jié)果

最后把軸向優(yōu)先掃描點云與自適應(yīng)掃描點云進行對比，點云數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖15所示。通過對比兩次掃描點云可以發(fā)現(xiàn)使用自適應(yīng)掃描點云數(shù)據(jù)比軸向優(yōu)先掃描點云數(shù)據(jù)分布更加均勻。軸向優(yōu)先掃描距離掃描儀越遠的地方，點云分布越稀疏，而自適應(yīng)掃描方式獲取的點云數(shù)據(jù)分布均勻。造成這種結(jié)果的主要原因是軸向優(yōu)先掃描并沒有考慮距離的因素，掃描儀在掃描的時候在距離遠和近的時候激光模塊采樣頻率保持一致，旋轉(zhuǎn)電機基本保持勻速旋轉(zhuǎn)，而自適應(yīng)掃描會根據(jù)上次掃描點云的距離分布及時調(diào)整電機旋轉(zhuǎn)角度和速度，用于達到點云分布更均勻的目的。通過對比實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場掃描經(jīng)驗，可以得出：自適應(yīng)掃描方式更加適合大范圍、形態(tài)狹長的空間進行掃描；常規(guī)掃描方式更加適合小范圍、形態(tài)均勻的空間進行掃描。

5 結(jié)論

本文針對地下空間形態(tài)探測的需求，提出了地下空間三維激光掃描智能化成像系統(tǒng)，并重點討論了該系統(tǒng)中所涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括整個系統(tǒng)的防護技術(shù)、自適應(yīng)掃描技術(shù)、點云拼接技術(shù)、點云姿態(tài)調(diào)整技術(shù)，正是由于這些關(guān)鍵技術(shù)的攻克，為整個系統(tǒng)的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)，為了驗證整個系統(tǒng)的適用性，選擇了安慶某礦山進行現(xiàn)場試驗，通過現(xiàn)場試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)完全能夠勝任現(xiàn)場實際需求。

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