三维激光扫描仪在煤矿井架变形检测中的应用

煤矿现代化　２０１２年第５期　总第１　１０期　三维激光扫描仪在煤矿井架变形检测中的应用　李文俊　（天安煤业股份有限公司六矿，河南平顶山４６７０００）　摘　要针对某煤矿主井井架的基本概况，本文介绍了三维激光扫描仪的基本原理，点　云数据的获取、预处理等方法；针对某煤矿主井井架的基本情况，采用免棱镜全站仪与三维　激光扫描仪相配合的技术方法，对井架进行点云处理及三维建模，并将之与免棱镜全站仪提　取的特征数据进行对比分析。结果表明，三维激光扫描仪能很好地完成井架的外业采集工　作，各项技术精度指标均符合规范要求。　关键词　井架；三维激光扫描仪；免棱镜全站仪；三维建模　中图分类号：ＴＤ１７８　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—０７９７（２０１２）０５—０００５—０３　１前言　发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然　后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由　三维激光扫描技术（Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｌａｓｅｒ　记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）又称“实景复制技术”，是一种先　信息，经过软件处理实现实体建模　输出。　进的全自动高精度立体扫描技术，能够快速地、高精　度地、密集地，以非接触方式直接获取研究对象表面　的空间三维数据，改变了传统的单点变形观测技术，　使传统的“点测量”方式变为“形测量”方式。与传统　测绘技术相比，三维激光扫描技术提高了自动化提　取信息的程度，它不需要布设测点，能够密集地、全　面地对测区进行数据采集，相当于布设了一个高密　图１　ＧＸ　２０００三维激光扫描测量系统　度的网状变形监测网，为变形监测的研究提供了更　原理如图２所示：　为全面的实测数据。　下面以某煤矿主井井架的变形观测为例，探讨　三维激光扫描仪应用于主井架的变形观测的可行　ｌ生。　２三维激光扫描系统测量原理　图２三维激光扫描仪原理图　本次实验采用的Ｔｒｉｍｂｌｅ　ＧＸ２０００为脉冲式三维　３点云数据的获取及预处理　激光扫描仪，如图１所示，仪器由激光发射器，接收　三维激光扫描测量技术关键在于如何快速获取　机，时间计数器等部分组成。首先由激光脉冲二极管　目标物体高精度的三维坐标信息，获得的点云数据　［１】　徐永圻．采矿学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，２００３．　Ｉ７］　王志杰．采煤工作面调斜方法比较及其应用效果［Ｊ］．山东　【２］　王静．浅谈回采工作面的调斜采煤『Ｊ］．科技情报开发与经　煤炭科技，２００４（３）：２８，３０．　济，２００３，１３（１）：１９９．　［８】　马纪伦，葛成云．祁东煤矿３２　４２综采工作面甩采技术的　［３】　焦振营．综采下分层顶板管理的关键技术研究【ＪＪ．煤，　应用［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１１（５）：３０—３１．　２０１１。２０（１０）：８—１０．　【４］　魏永军，贾坛彬．轻型综采放顶煤工作面调斜技术探讨［Ｊ］．　作者简介：　煤炭３－程，２００６（８）：４７—４８，７Ｏ．　邓汉稳（１９８３一），男，安徽宿州人，２００８年毕业于山东理工　［５］　乔中栋，张健，邢娟．综采（放）工作面过拐点技术［Ｊ］．煤炭工　大学采矿工程专业，现在淮北矿业股份有限公司芦岭煤矿从　程，２００２（７）：８—１０．　事生产技术管理工作。　【６］　徐新亮，裘世军，吕传柱．大幅度调斜技术在综采工作面　的应用［Ｊ］．煤矿开采，２００８，１３（６）：２６—２７．　（收稿日期：２０１２—５—１６）　・　・　煤矿现代化　２０１２－ｒ第５期　总第１　１０期　的精度与扫描仪本身构造、性能、测站点和控制点的　选择以及扫描环境等因素有关。在获取点云数据后，　对点云数据预处理的过程，也是影响扫描结果的重　要因素。　３．１点云数据的获取　三维激光扫描仪外业数据的获取一般包括①现　场踏勘。在实施扫描工作前要到现场进行踏勘，根据　测区地形特征和测量对象的形态、空间分布，确定扫　描测站点和控制点位置的布设方案。②控制测量。用　全站仪或其他测量仪器配合观测，通过公共点，在点　据分割成可以用一张曲面实现表达的子数据，以便　在后续的曲面重建中直接对子数据拟合单个曲面　片，最终将所有子曲面“缝合”成一个完整的曲面。　４三维激光扫描仪在井架变形观测的应用　煤矿井架一般为钢制材料，井架的自重、使用中　的动荷载、振动和风力等因素引起的附加荷载，地下　水对井架基础的侵蚀等作用将导致井架基础的不均　匀沉降。井架基础的沉降将导致井架的倾斜变形，当　倾斜变形超过一定的限值后，就会影响井架的正常　云数据拼接后把所有的激光扫描数据转换到统一坐　标系下。③野外数据的采集。当某一测站点云数据采　集完毕后，将仪器搬到另一测站，继续采集点云数据。　３．２点云数据的预处理　３．２．１点云数据的拼接　原始点云数据是位于多个不同坐标系统下的点　云数据的集合，为了得到被测目标的整体空间数据　信息，需要对不同测站获取的点云数据进行拼接。对　于大场景测量作业，采用三点到三点的拼接方法，在　扫描区域中设置控制点，使相邻测站点云数据中至　少有三个同名控制点。通过控制点的强制附合，将相　邻的点云数据统一到同一个坐标系下。拼按时，将多　个点云数据中的控制点组成一个闭合环，可以有效　地防止拼接过程中坐标转换误差的积累。　３．２．２点云数据的滤波　点云的过滤（Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ），即是去除测量噪声，得　到所需要的点云数据。方法有①计算机自动剔除噪　声；②对于一些明显的异常点和散乱点可通过肉眼　判别，在计算机中手动删除；③采用滤波的方法对点　云进行平滑处理。　３．２．３点云数据的精简　由于点云数据量巨大，而且点云数据拼接后，会　存在大量的重叠区域，因此需在保证一定精度的前　提下对点云数据进行精简。　对于地表散乱点云数据，可通过随机采样、整体　采样、设置一定点间距采样等方法来精简数据；对于　经过处理的扫描线点云或多边形点云可通过等间　距、倍率及等量缩减的方法实现数据精简；对于网格　化后的点云可采取最小包围区域法、等分布密度法　来实现数据的精简。　３．２．４　点云数据的分割　对于大面积的地表，往往无法用一张数学曲面　对其进行表达，因此在基于点云数据的曲面重建中，　一个完整的模型通常需要由多张曲面拼接而成，这　就要求点云数据曲面重建之前需进行分割处理。针　对不同的建模对象，数据分割按某种规则将整片数　使用，甚至危及井架安全。　本文研究对象是某煤矿的主井井架，斜架总高　度为６２ｍ，总重量约为７４２ｔ，主体板厚为１８ｍｍ，井深　１千多米。　４．１扫描方案设计　在井架扫描之前，由ＧＰＳ静态观测获得一级控　制点，布设观测站如图３所示，其中ｓ代表扫描仪设　站点，Ｇ为ＧＰＳ控制点，Ｔ为控制点加密点。在布设　的ＧＰＳ控制点上安置免棱镜全站仪，获得加密控制　点，在井架周围分别对井架四面的特征点进行观测，　免棱镜模式下采集井架主要特征点的坐标数据，并　进行记录，绘制井架特征点草图，记录各特征点位　置。用三维激光扫描仪对井架进行扫描，从扫描仪获　取的点云数据中提取出井架特征点坐标，通过已知　控制点坐标，将点云数据转换到同一坐标系下。　图３观测站布设　４．２三维激光扫描数据采集　．　本次井架三维激光扫描数据采集使用Ｔｒｉｍｂｌｅ　ＧＸ　２０００地面三维激光扫描仪，设置采样率为５０００　点／ｓ，扫描分辨率３ｍｍ＠５０ｍ，每测站距离井架均在　５０ｍ内，根据设计的扫描路线和方案，在井架周围分　三站对井架的四面进行扫描，每站获取包含ＸＹＺ坐　标集合、激光反射强度、ＲＧＢ等的点云数据，扫描现　场如图２所示。每个单测站数据采集流程如下：　（１）开机后扫描测量仪自检，确定扫描测量仪工　作正常后，建立工程项目并在项目中添加测站。　（２）启动照相机，选择扫描类型（３６０。，Ｏｂｊｅｃｔ，　Ｔ￣ｇｅｔ，Ｓｐｈｅｒｅ）和扫描测量区域，可以在实时影像、　・６・