BIM結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在礦山建設(shè)施工測量中應(yīng)用

唐 麗

（重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072）

利用BIM結(jié)合三維激光掃描技術(shù)可以完成礦山三維信息模型構(gòu)建。模型的構(gòu)建即是對礦山及其相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一表現(xiàn)和管理，實(shí)現(xiàn)礦山的地址信息儲存和使用[1]。常規(guī)的測量方法只能獲取單點(diǎn)信息，而BIM結(jié)合三維激光技術(shù)的應(yīng)用，為礦山建設(shè)施工提供了新型的技術(shù)指導(dǎo)。

1 BIM結(jié)合三維掃描技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

三維掃描儀是基于三維掃描技術(shù)的測量儀器，其內(nèi)有發(fā)射激光的裝置，利用反光鏡的迅速并且按照一定的順序旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對測量區(qū)域的掃描，進(jìn)而形成相應(yīng)的地質(zhì)信息模型。在實(shí)際礦山地質(zhì)建設(shè)施工測量中，利用發(fā)射的激光從發(fā)射到回到儀器的時(shí)間來計(jì)算實(shí)際距離，同時(shí)使用編碼器檢測脈沖的相應(yīng)角度，從而獲取測量實(shí)物的三維坐標(biāo)和形態(tài)。三維掃描儀器利用激光運(yùn)行的時(shí)間計(jì)算出掃描儀與實(shí)際物體的距離為Qp，編碼器可以測量脈沖水平方向和數(shù)值方向的掃描角度α和β，并使用者三個(gè)信息數(shù)據(jù)計(jì)算出測量區(qū)域的三維空間坐標(biāo)。三維激光空間坐標(biāo)計(jì)算公式為：

圖1 三維掃描技術(shù)設(shè)計(jì)

三維掃描技術(shù)利用掃描儀器內(nèi)部坐標(biāo)，X軸在水平方向，Y軸在豎直方向，并且X軸和Y軸保持垂直，Z軸與水平方向的掃描面垂直，如圖1所示。

2 BIM結(jié)合三維掃描技術(shù)在礦山施工中的應(yīng)用流程

2.1 在礦山測量中的掃描工作

掃描工作共由布設(shè)、現(xiàn)場掃描、細(xì)節(jié)掃描、確定坐標(biāo)組成。布設(shè)要實(shí)地考察測量區(qū)域周圍的環(huán)境，按照掃描區(qū)域的位置、范圍和應(yīng)該獲得的重要性質(zhì)，從而確定測量站和發(fā)射芯片的數(shù)量和具體位置，確保能夠全方位獲得掃描區(qū)域信息盡可能縮減測量站點(diǎn)的數(shù)量，從而縮小對個(gè)測量站點(diǎn)信息交流中的誤差[2]。根據(jù)礦山建設(shè)工程實(shí)際情況，共布設(shè)5個(gè)測量站點(diǎn)，每個(gè)測量站點(diǎn)有7個(gè)反射片分布。在選定的測量站點(diǎn)放置掃描儀，調(diào)節(jié)掃描儀到合適的位置，并與計(jì)算機(jī)連接起來，將掃描的區(qū)域?qū)嵨镄纬捎绊懖⒄故驹陲@示屏上。并按照設(shè)置好的儀器參數(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的自動掃描。等到測量站點(diǎn)掃描完成后，細(xì)節(jié)掃描反射片，并選取反射片的中心位置作為標(biāo)識，由細(xì)節(jié)掃描確定中心位置。待到掃描工作完成后，確定測量站點(diǎn)中的反射片坐標(biāo)，為展示云數(shù)據(jù)坐標(biāo)提供一定的基礎(chǔ)，并利用GPS確定中心位置坐標(biāo)。

2.2 建立三維數(shù)據(jù)模型

對于礦山建設(shè)施工測量時(shí)，需要數(shù)片點(diǎn)云收集現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)，可以提高片點(diǎn)直接的交接速率，縮減噪聲點(diǎn)的數(shù)量。一般常見的采樣方式有分散采樣、抽取采樣等，由于分散采樣和抽取采樣不能有效地收集實(shí)物形態(tài)特征，在實(shí)際采集信息數(shù)據(jù)時(shí)容易導(dǎo)致實(shí)物的重要特征，所以其逐漸被法矢采集方法替代[3]。法矢采集方法應(yīng)用流程如圖2所示，利用法矢采集信息方法實(shí)現(xiàn)交接，此采集方法可以更大程度地保存點(diǎn)云的細(xì)小現(xiàn)象，也能夠確保采集信息的準(zhǔn)確性。

圖2 法矢采集方法應(yīng)用流程

對于采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算方法共三種，即點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與影響、點(diǎn)與掃描面。點(diǎn)與點(diǎn)計(jì)算方式較為簡單，但容易造成點(diǎn)與點(diǎn)計(jì)算中出現(xiàn)部分極值；點(diǎn)與影響方式可以加快計(jì)算速率，然而交接準(zhǔn)確度卻太低；點(diǎn)與掃描面的算法的精確度最高，此類方法可以取代前兩種算法，不容易導(dǎo)致部分極值的現(xiàn)象發(fā)生，但耗費(fèi)大量的時(shí)間[4]。將點(diǎn)與掃描面以及點(diǎn)與影像融合在一起建立新型算法，不僅可以進(jìn)行快速掃描實(shí)物環(huán)境和繪制實(shí)物影像，也能夠充分發(fā)揮點(diǎn)與掃描面計(jì)算方法的準(zhǔn)確優(yōu)勢，從而達(dá)到快捷、效率極高的目標(biāo)。

在礦山建設(shè)施工測量過程中，難免會出現(xiàn)部分點(diǎn)之間的錯(cuò)誤對應(yīng)現(xiàn)象，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，需要設(shè)定相關(guān)的判別標(biāo)準(zhǔn)。利用曲面限制方法和運(yùn)動限制方法可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤對應(yīng)點(diǎn)的判斷。曲面限制方法即為選用測量實(shí)物通過不同的角度對相同位置的彎曲程度、法矢等進(jìn)行限制，該限制方法具有高精度的特點(diǎn)。同時(shí)采用對應(yīng)點(diǎn)保持一致的原則，按照對應(yīng)點(diǎn)之間恒定的距離準(zhǔn)則進(jìn)行限制，可以實(shí)現(xiàn)165個(gè)錯(cuò)誤點(diǎn)對應(yīng)的校驗(yàn)。

通過以上環(huán)節(jié)的篩選，即可獲取最后的對應(yīng)點(diǎn)集合，并選取最小二乘法計(jì)算點(diǎn)云的坐標(biāo)系數(shù)實(shí)施交接。每個(gè)測量站點(diǎn)的云數(shù)據(jù)交接后，并與反射片的中心位置坐標(biāo)結(jié)合，轉(zhuǎn)化為礦山建設(shè)測量實(shí)物環(huán)境的大坐標(biāo)。通過對礦山實(shí)地環(huán)境掃描結(jié)束后，可以獲得現(xiàn)場的云數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的三維信息數(shù)據(jù)模型，從而構(gòu)建礦山施工場地的地質(zhì)模型并繪制礦山施工場地的地形圖和地質(zhì)圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分析礦山地質(zhì)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

針對BIM結(jié)合三維激光掃描技術(shù)在礦山施工測量中的應(yīng)用設(shè)計(jì)以及應(yīng)用流程進(jìn)行分析，由此可見此掃描技術(shù)具有快捷、準(zhǔn)確等使用優(yōu)勢。保證礦區(qū)地質(zhì)測量的信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可以極大地提高掃描技術(shù)的測量效率和質(zhì)量。通過構(gòu)建礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)模型，將礦區(qū)的開采圖像、信息數(shù)據(jù)和開采形態(tài)統(tǒng)一管理，真正意義上實(shí)現(xiàn)對礦山施工活動的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

[1]王代兵,楊紅巖,邢亞飛,等.BIM與三維激光掃描技術(shù)在天津周大福金融中心幕墻工程逆向施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2017,11(23):10-13.

[2]馬興勝,武楊,趙蕾,等.3D掃描技術(shù)與BIM技術(shù)在機(jī)電改造工程中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù),2017,08(S1):487-490.

[3]張國峰.BIM在建筑工程巖土勘察三維虛擬現(xiàn)實(shí)可視化中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2017,48(3):275-277.

[4]趙亮.基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在煤礦設(shè)計(jì)企業(yè)中的應(yīng)用[J].煤炭工程,2017,49(6):29-31.