三維激光掃描技術(shù)在礦山巷道斷面測(cè)量中的應(yīng)用

鄒 江

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊(duì),貴州 安順 561000)

0 引言

巷道斷面測(cè)量是檢核巷道開挖質(zhì)量與設(shè)計(jì)質(zhì)量符合情況必不可少的一步,常規(guī)的全站儀加控制導(dǎo)線的實(shí)測(cè)方法效率較低,且只能以點(diǎn)線形式展示巷道開挖情況,無法多角度、立體式呈現(xiàn)巷道施工進(jìn)度[1-3]。三維激光掃描儀的誕生將測(cè)繪技術(shù)引領(lǐng)到一種高精度、高效率、無接觸式測(cè)繪新領(lǐng)域。面對(duì)三維激光掃描儀的普及,國(guó)內(nèi)工程院校、科研企事業(yè)單位都進(jìn)行過深入研究與開發(fā),關(guān)于該技術(shù)在巷道斷面測(cè)量中的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。俞艷波、李小松等在《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》一文中論述了三維激光掃描技術(shù)可用于獲取井下巷道的三維可視化模型,為礦山建設(shè)監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐[4]。程華偉、錢小峰將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法在巷道斷面測(cè)量中進(jìn)行對(duì)比論證,得出了三維激光掃描技術(shù)可以提高巷道建模精度和效率的結(jié)論[5]。龐帆、何玉龍等采用端到端定位誤差、相對(duì)距離誤差、絕對(duì)點(diǎn)位誤差作為精度評(píng)測(cè),驗(yàn)證得出三維激光掃描技術(shù)在井下巷道測(cè)量中能達(dá)到厘米級(jí)精度[6]。劉宏亮將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于煤礦井下巷道斷面測(cè)量及巷道貫通測(cè)量,分析得出三維激光掃描技術(shù)能有效提高巷道斷面測(cè)量和貫通測(cè)量的效率及精度為巷道施工提供指導(dǎo)依據(jù)[7]。王博群等運(yùn)用空間幾何方法從海量三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速、高精度地獲取到隧道中心點(diǎn)坐標(biāo)與斷面信息[8]。牛家寬、錢小峰在《移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量中的精度及誤差分析》中指出移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)具有實(shí)時(shí)、快速、高精度的優(yōu)勢(shì),建議推廣用于礦山采空都區(qū)測(cè)量、巷道實(shí)體測(cè)量等礦山測(cè)量工作[9]。根據(jù)以上文獻(xiàn)資料及工程實(shí)例論述三維激光掃描技術(shù)在井下礦山巷道工程測(cè)量、巷道中軸線提取、縱橫斷面測(cè)量、三維建模等方面運(yùn)用已經(jīng)逐漸成熟。為此本文在已有研究成果的基礎(chǔ)之上,詳細(xì)介紹三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于巷道斷面測(cè)量,并在提取斷面尺寸流程中介紹了專業(yè)應(yīng)用軟件的使用過程。最終通過工程案例驗(yàn)證了三維掃描激光技術(shù)獲取的斷面尺寸與設(shè)計(jì)值相差較小的結(jié)論。

1 TLS技術(shù)應(yīng)用于斷面測(cè)量的工作流程

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在礦山井下巷道斷面測(cè)量獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

巷道區(qū)間為狹長(zhǎng)空間,對(duì)于地面激光掃描儀的架設(shè)及外業(yè)測(cè)量工作極為不利,因此需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘,確定測(cè)站間距、標(biāo)靶布設(shè)位置。掃描參數(shù)的合理設(shè)置有利于在確定的巷道長(zhǎng)度和精度范圍內(nèi)使用最少的掃描時(shí)間,為確保掃描進(jìn)度高效及點(diǎn)云質(zhì)量。斷面測(cè)量的目的是為指導(dǎo)巷道掘進(jìn)和后續(xù)調(diào)整巷道中腰線、巷道施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為了獲取區(qū)間斷面的限界尺寸,點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求為絕對(duì)坐標(biāo),作業(yè)時(shí)需要使用貫通測(cè)量控制點(diǎn)作為控制基準(zhǔn)。三維激光掃描具體實(shí)施方案如下:

1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘,制定掃描方案,布設(shè)控制點(diǎn):外業(yè)掃描前需要收集相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙和控制點(diǎn)資料,現(xiàn)場(chǎng)踏勘、確認(rèn)巷道內(nèi)的控制點(diǎn),對(duì)可用的控制點(diǎn)標(biāo)記、保存。標(biāo)靶點(diǎn)布設(shè)要合理,確保每站掃描過程中至少三個(gè)標(biāo)靶在視場(chǎng)之內(nèi)。標(biāo)靶點(diǎn)選擇為顏色對(duì)比鮮艷,反光特性的材料制成,穩(wěn)固且可靠。

2)外業(yè)掃描:考慮到巷道管片沒有明顯的特征點(diǎn)用于匹配拼接,獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求為絕對(duì)坐標(biāo),外業(yè)掃描采用標(biāo)靶聯(lián)系測(cè)量法和導(dǎo)線測(cè)量法。激光掃描測(cè)站及標(biāo)靶布置如圖2所示。

可采用導(dǎo)線將各標(biāo)靶點(diǎn)與控制點(diǎn)坐標(biāo)精確的獲取,既提高了點(diǎn)云相對(duì)精度,又提高了模型的絕對(duì)精度,現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線布設(shè)樣式如圖3所示。主要步驟如下:

a.在掃描前布設(shè)導(dǎo)線點(diǎn),即地面激光掃描儀架站點(diǎn)(A,B,C,D,T1,…,Tn);其中A,B,C,D為已知點(diǎn)。b.儀器架設(shè)在B點(diǎn),A點(diǎn)架設(shè)標(biāo)靶作為后視點(diǎn),A,B用已知坐標(biāo)設(shè)站方法進(jìn)行設(shè)站測(cè)量。c.完成B點(diǎn)設(shè)站后開始掃描,同時(shí)對(duì)T1點(diǎn)架設(shè)前視標(biāo)靶進(jìn)行精掃。d.T1設(shè)站時(shí),將B點(diǎn)作為后視定向點(diǎn),測(cè)站設(shè)置完畢開始后續(xù)掃描工作,T2點(diǎn)在本次掃描中作為前視點(diǎn)完成點(diǎn)云獲取工作。e.后續(xù)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(diǎn)結(jié)束。儀器高與標(biāo)靶高在每次架站時(shí)都要量取至毫米位,至此各站的點(diǎn)云獲取工作與導(dǎo)線測(cè)量工作均完成。f.檢查各測(cè)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,檢查儀器高與標(biāo)靶高正確與否,有無錯(cuò)漏的情況發(fā)生。核對(duì)完成后對(duì)設(shè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,拼接報(bào)告中可以查看各導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)信息,導(dǎo)線總長(zhǎng)度和閉合差信息。

開始掃描時(shí),從開始的一端優(yōu)先對(duì)控制點(diǎn)上的標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描,由設(shè)備擬合出標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)后進(jìn)行完整掃描。每一站掃描結(jié)束后移動(dòng)前進(jìn)方向尾部的兩個(gè)靶球至前方,保障每相鄰兩站數(shù)據(jù)間存在至少4個(gè)公共靶球,作為點(diǎn)云拼接的依據(jù)。由于井下巷道狹長(zhǎng)、內(nèi)徑小,為避免入射角過大時(shí)激光采集的數(shù)據(jù)反射率較低,采用約10 m一個(gè)站點(diǎn)的方式,不僅保證了數(shù)據(jù)的重疊范圍,也保證了靶球的可識(shí)別率。

3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理:外業(yè)工作中獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)需經(jīng)過加工才可應(yīng)用,其中包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云模型構(gòu)建。將不同測(cè)站坐標(biāo)的點(diǎn)云統(tǒng)一至相同坐標(biāo)系下,為后續(xù)工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

a.點(diǎn)云配準(zhǔn):點(diǎn)云配準(zhǔn)即將不同測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變換至統(tǒng)一坐標(biāo)系下,其中目標(biāo)點(diǎn)云與參考點(diǎn)云之間尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)成為了關(guān)鍵一步。假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)云P與參考點(diǎn)云Q之間存在變換矩陣H,(x,x′)為二者中的對(duì)應(yīng)點(diǎn),那么對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(zhuǎn)變換矩陣H是由一個(gè)3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)3×1的平移矩陣組成T矩陣(見式(2)):

(2)

關(guān)系式也可以表示為:x′=R3×3x+T3×1。

其中,旋轉(zhuǎn)矩陣R3×3為正交旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角。6個(gè)配準(zhǔn)參數(shù)需要至少三組對(duì)應(yīng)點(diǎn)才能計(jì)算出來。

b.點(diǎn)云拼接:點(diǎn)云拼接工作是將具有不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云通過旋轉(zhuǎn)、平移變換為統(tǒng)一坐標(biāo)系,即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。本文采用基于控制點(diǎn)的拼接和基于標(biāo)靶的拼接兩種方法。

c.點(diǎn)云去噪:該項(xiàng)工作是將與被測(cè)物體無關(guān)的多余點(diǎn)云剔除,可通過濾波算法過濾掉誤差點(diǎn)與錯(cuò)誤點(diǎn)。巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)中需要剔除的噪聲主要包括管道、電線、支撐結(jié)構(gòu)以及工作人員等。

d.點(diǎn)云簡(jiǎn)化:外業(yè)掃描時(shí),點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采樣密度較高,存在巨大的數(shù)據(jù)冗余,造成數(shù)據(jù)量的龐大,對(duì)后期的處理和成圖、存儲(chǔ)、顯示帶來困難,同時(shí)也造成計(jì)算資源和人力資源的浪費(fèi),因此對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化處理尤為必要。

2 巷道斷面數(shù)據(jù)處理

巷道斷面數(shù)據(jù)處理主要包括:根據(jù)設(shè)計(jì)文件生成線路數(shù)據(jù);以設(shè)計(jì)線路為準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片、中心線提取和限界計(jì)算。

1)生成設(shè)計(jì)線路:針對(duì)傳統(tǒng)方法在巷道斷面數(shù)據(jù)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(hào)編程語言和.NET API對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)完成的巷道斷面數(shù)據(jù)處理程序。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照一定的間距繪制平曲線和豎曲線及相關(guān)控制線。

2)點(diǎn)云切片:點(diǎn)云切片的目的是為點(diǎn)云的擬合做準(zhǔn)備。以巷道的設(shè)計(jì)中線為基準(zhǔn),沿中軸線方向創(chuàng)建垂直于巷道中線的巷道斷面,點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片的厚度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定。按照設(shè)計(jì)要求,直線段每6 m、曲線段每4.5 m提取一個(gè)斷面。

3)橢圓度計(jì)算:在提取斷面后進(jìn)行長(zhǎng)短半軸的測(cè)量,并求取橢圓度,參照式(4)進(jìn)行計(jì)算:

T=2×(a-b)/D

(4)

其中,T為橢圓度;a為長(zhǎng)半軸;b為短半軸;D為巷道內(nèi)徑。

4)中心線提取:將切片點(diǎn)云投影到與設(shè)計(jì)中線垂直的平面上,斷面點(diǎn)云坐標(biāo)由三維空間變換至二維空間,以便于巷道斷面擬合。根據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)可實(shí)現(xiàn)斷面點(diǎn)坐標(biāo)正向轉(zhuǎn)換和反向轉(zhuǎn)換。根據(jù)二維平面中斷面位置點(diǎn)和噪點(diǎn)判斷距離,剔除噪點(diǎn),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(jìn)行。

3 工程實(shí)例

以貴州某礦為實(shí)例,該巷道采用相向掘進(jìn)的施工方式。為監(jiān)測(cè)巷道施工質(zhì)量并對(duì)已施工區(qū)段采取監(jiān)測(cè),使用LEICA P40激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),該儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。在巷道的兩端設(shè)站導(dǎo)線作為掘進(jìn)定向,同時(shí)在導(dǎo)線中架設(shè)如上文提到的設(shè)站方式,在掃描點(diǎn)云時(shí)注重儀器三腳架的穩(wěn)定性,以防施工區(qū)段土質(zhì)不穩(wěn)定造成相同測(cè)站點(diǎn)云粗差過大的情況發(fā)生。

表1 徠卡P40的主要技術(shù)指標(biāo)

為得到掃描區(qū)域的整體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),儀器參數(shù)設(shè)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(duì)標(biāo)靶球和安置在控制點(diǎn)上的標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)掃描,便于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。公共點(diǎn)使用靶球固定在具體的掃描部位上,保證標(biāo)靶的穩(wěn)定性且具有一定的高差。為滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接要求,相鄰測(cè)站有3個(gè)公共點(diǎn)重合。

在外業(yè)中獲取到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后,導(dǎo)入軟件Cyclone中進(jìn)行點(diǎn)云去噪、拼接、配準(zhǔn)等預(yù)處理工作。在Cyclone Register模塊下,對(duì)預(yù)拼接后的點(diǎn)云根據(jù)掃描路線進(jìn)行優(yōu)化,然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和抽稀,得到完整的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云效果如圖4所示。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dreshaper軟件中,提取巷道斷面的中軸線。本項(xiàng)目采用3Dreshaper軟件進(jìn)行中軸線擬合提取,以圓形為依據(jù)創(chuàng)建巷道中線,采用最小二乘法進(jìn)行擬合。巷道點(diǎn)云提取斷面示意如圖5所示。

由于斷面數(shù)據(jù)處理工作量較大,依靠巷道斷面數(shù)據(jù)處理程序,可批量處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù),極大地提高了效率,并實(shí)現(xiàn)了斷面測(cè)量數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)線路參數(shù)。2)運(yùn)行程序,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)繪制平曲線和豎曲線,計(jì)算逐樁坐標(biāo)。3)導(dǎo)入斷面數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)斷面進(jìn)行空間圓擬合,得到實(shí)測(cè)圓心和半徑。結(jié)合設(shè)計(jì)線路求出橫向和豎向偏差,根據(jù)巷道斷面測(cè)量示意圖計(jì)算出左右橫距和頂?shù)c(diǎn)高程。4)將計(jì)算成果按照設(shè)計(jì)要求的格式輸出,繪制斷面圖,斷面效果圖如圖7所示。5)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核,如果不合格,對(duì)工程配置和線路參數(shù)進(jìn)行檢查。對(duì)得到的部分結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行分析,參照橢圓度計(jì)算公式,計(jì)算出橢圓度見表2。

最后擬合出巷道斷面的中心,與設(shè)計(jì)巷道中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,得到巷道的限界成果,見表3。實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值差值均在厘米級(jí)別,精度均勻分布,符合相應(yīng)規(guī)范對(duì)中心點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)的要求。按照要求的格式整理斷面測(cè)量成果表,作為后續(xù)調(diào)整巷道中腰線、巷道坡度基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

表2 橢圓度計(jì)算成果表

表3 巷道斷面測(cè)量成果表

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)性敘述了三維激光掃描儀在巷道斷面測(cè)量中的外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程,其中包括了外業(yè)使用徠卡P40激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),內(nèi)業(yè)使用Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。使用3Dreshaper軟件以巷道軸線為基準(zhǔn)并提取斷面數(shù)據(jù),采用最小二乘算法對(duì)獲取的斷面數(shù)據(jù)擬合。通過與巷道設(shè)計(jì)軸線比較,獲取每個(gè)斷面的限界尺寸。試驗(yàn)結(jié)果證明了充分利用三維激光掃描儀技術(shù),可克服傳統(tǒng)的全站儀導(dǎo)線測(cè)量模式效率低、獲取數(shù)據(jù)單一、斷面數(shù)量不足等缺點(diǎn),提高斷面測(cè)量作業(yè)效率及精度,在工程項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。