三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

杜宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 云岡礦，山西 大同 037017）

0 引 言

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

1 地質(zhì)概況

云崗礦礦井位于東經(jīng)40°，北緯113°，屬于中高山區(qū)，礦井內(nèi)地勢高低不一，井下采空區(qū)和巷道錯綜復(fù)雜，由于年代久遠(yuǎn)，原始的圖紙和數(shù)據(jù)保存不完整，數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失，為了合理的開采資源，避免重復(fù)施工，浪費(fèi)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掃描。通過三維激光掃描技術(shù)，定位被測物體的絕對坐標(biāo)，可以獲得被測礦井采空區(qū)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，通過配套的模擬軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)件方案

三維激光掃描的作業(yè)流程如圖1 所示，通過對探測點(diǎn)進(jìn)行三維激光掃描，將掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬軟件中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動拼接、查看、降噪以及剪切等相關(guān)處理，得到測量區(qū)域的礦井點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、刪除孤點(diǎn)、精簡以及網(wǎng)格修復(fù)等優(yōu)化處理，完成逆向建模，構(gòu)建出采空區(qū)的點(diǎn)云模型和實(shí)體模型。

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

2.1 數(shù)據(jù)采集

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

在此次云崗礦采空區(qū)測量中，設(shè)置3 個監(jiān)測點(diǎn)，在采集數(shù)據(jù)時，采用固定標(biāo)靶，將前后兩次采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到不同時間段下同一坐標(biāo)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場施工的環(huán)境比較復(fù)雜，存在很多遮擋問題，要獲得完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要對多個監(jiān)測站進(jìn)行掃描，系統(tǒng)通過約束條件計算整體誤差，如果誤差過大，再對監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)正確性進(jìn)行判斷，以糾正誤差。

三維激光掃描儀獲取的礦井采空區(qū)的點(diǎn)云模型如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描空區(qū)點(diǎn)云模型Fig.2 3D laser scanning goaf point cloud model

2.2 數(shù)據(jù)拼接

為了確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度，先進(jìn)行粗略拼接，確定基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使用軟件中的拼接工具進(jìn)行拼接，將3 個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行拼接；然后進(jìn)行精細(xì)拼接，對粗略拼接的結(jié)果進(jìn)行處理，設(shè)置2 個控制點(diǎn)，利用控制點(diǎn)坐標(biāo)對拼接結(jié)果進(jìn)行校正。

2.3 去噪聲點(diǎn)

對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理時，按照少去除多視角的方法，防止刪除真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。通過平移和旋轉(zhuǎn)操作，從不同的方向觀察監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先以俯視角的方位去除噪聲點(diǎn)，然后以底面和側(cè)面視角的方位去除噪聲點(diǎn)，得到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.4 點(diǎn)云濾波

對去噪后無序點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，通過對比濾波方式，此次選擇高斯濾波方法進(jìn)行點(diǎn)云濾波。

2.5 點(diǎn)云精簡

數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云濾波后，要對重復(fù)存在的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡處理。采用八叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡，在精簡后，一期的數(shù)據(jù)點(diǎn)從342 066 降為19 602 個，二期的數(shù)據(jù)點(diǎn)從227 114 降為18 423 個，大大減少了數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.6 網(wǎng)格修復(fù)

根據(jù)精簡后的數(shù)據(jù)在模擬軟件中進(jìn)行實(shí)體模型重構(gòu)，采用Delaunay 三角剖分算法，在簡化時模型會出現(xiàn)尖角、凸塊和孔洞等，因此要對模型進(jìn)行消尖、平滑和補(bǔ)洞處理，對于小孔洞，采用修復(fù)工具進(jìn)行修復(fù)，對大孔洞和邊界孔洞采用搭橋方式先進(jìn)行分解，然后再采用修復(fù)工具進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的礦井采空區(qū)實(shí)測模型如圖3 所示。

圖3 采空區(qū)實(shí)測模型Fig.3 Goaf actual survey model

3 結(jié) 論

為了準(zhǔn)確測量礦井采空區(qū)的實(shí)際形貌，以云岡礦采空區(qū)為研究對象，采用三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、濾波、精簡、網(wǎng)格修復(fù)等數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如下。

（1） 根據(jù)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可以看出，生成的三維立體模型真實(shí)地反映采空區(qū)的實(shí)際形貌，一號監(jiān)測站測量的采空區(qū)體積為1 100.5 m3，二號和三號監(jiān)測站測量的采空區(qū)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(diǎn)云精簡，大大減少了數(shù)據(jù)量，在網(wǎng)格修復(fù)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(bǔ)洞和搭橋的方法進(jìn)行處理。

（2） 采用三維激光掃描儀在短時間內(nèi)獲取了礦井的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了測量的工作效率，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維模擬軟件可以很好地銜接，為數(shù)字化開采及管理提供三維數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測模型，在后期現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測量時，成功對采空區(qū)進(jìn)行了治理，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保障。