廖世龍

【摘? 要】三維激光掃描儀是用來測量空間點(diǎn)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)的測量設(shè)備，可以快速獲取到測量對象的三維空間形態(tài)，但是現(xiàn)階段對礦山的三維激光掃描儀所獲取的數(shù)據(jù)相對較難，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)際圖紙的精準(zhǔn)度存在著較高的誤差，針對這種情況需要在BLSS-PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)的前提上加入雙軸傾角傳感器等系統(tǒng)，以此來完善對點(diǎn)云傾角和翻滾角等數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。本文主要針對礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)測量精度提升與應(yīng)用展開研究，首先對礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行簡要的介紹，其次提出了基于雙傾角傳感器的姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，最后提出了基于柔性靶標(biāo)的外部坐標(biāo)高精度修正。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描儀;點(diǎn)云數(shù)據(jù);精度提升

引言

我國具有豐富的礦產(chǎn)資源，但是礦產(chǎn)資源的分配上相對復(fù)雜，我國在進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)商所采用的手段過于粗糙，并且隨著對地表的多年采集，部分優(yōu)質(zhì)的礦產(chǎn)資源已經(jīng)被開發(fā)完畢，因此需要從地表礦產(chǎn)開發(fā)轉(zhuǎn)入到地下深部開發(fā)，在這種背景下就需要獲取到最高精準(zhǔn)度的三維空間信息數(shù)據(jù)，以此針對開采期間采空區(qū)爆前爆后的空間形態(tài)變化進(jìn)行有效的測量，并且參考礦產(chǎn)資源的具體三維數(shù)據(jù)來分析開采環(huán)節(jié)的損失情況，進(jìn)而提升二步回采的開采效益。另外，針對溜井和采空區(qū)等具備井巷結(jié)構(gòu)的區(qū)域展開激光掃描能夠得出其所存在的垮落位置、容量與朝向，進(jìn)而展開分析并判斷低壓的災(zāi)害程度，最終能夠通過超前預(yù)警等方式進(jìn)行及時(shí)的處理，盡量減少采礦作業(yè)所存在的安全隱患。三維激光掃描期間所取得的數(shù)據(jù)精度相對較高，并且不需要接觸就能夠在地下開采環(huán)節(jié)當(dāng)中取得三維空間信息的數(shù)據(jù)，而北京礦治科技集團(tuán)有限公司所開發(fā)的BLSS-PE礦用三維激光掃描測量儀正是為此而量身定做的設(shè)備。

因礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)主要是針對礦產(chǎn)資源所研發(fā)的設(shè)備，因此需要盡可能提升對被測物體三維形態(tài)的測量精度，考慮到這方面本文展開研究，主要分為兩種方式：其一是添加傾角傳感器來進(jìn)行精度補(bǔ)償，其二是添加激光指示裝置來提升設(shè)備測量的方位角精度。

1.礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)介紹

北京礦治科技集團(tuán)有限公司通過6年來不斷的努力，最終開發(fā)出的BLSS-PE礦用三維激光掃描側(cè)梁系統(tǒng)能夠有效對礦產(chǎn)資源的巷道、采空區(qū)和溜井等區(qū)域的三維空間形態(tài)進(jìn)行測量，以此展開后續(xù)的礦產(chǎn)資源開發(fā)工作，并根據(jù)此類信息決定相關(guān)的安全處理措施，該系統(tǒng)的存在突破了傳統(tǒng)激光掃描技術(shù)，極大程度上加強(qiáng)了我國礦山測量的技術(shù)含量。

2.基于雙傾角傳感器的姿態(tài)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)能夠高效率測量目標(biāo)的三維空間形態(tài)，但其最終的掃描結(jié)果只是作用于設(shè)備的坐標(biāo)系，若是設(shè)備安裝的水平不夠或出現(xiàn)翻滾情況就會(huì)導(dǎo)致最終掃描結(jié)果的三維點(diǎn)云與水平面之間出現(xiàn)一定角度，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在XZ視圖上最終所呈現(xiàn)出的結(jié)果存在一定的傾斜，在YZ視圖上出現(xiàn)明顯翻滾，若是掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與測量對象的形態(tài)相同則最終結(jié)果存在著較大的差異性，為了確保兩者之間的姿態(tài)相同則需要進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，為了做到這一點(diǎn)就需要在硬件設(shè)計(jì)方面增加相關(guān)的傾角傳感器來確保掃描結(jié)果傾角信息和滾動(dòng)角信息符合標(biāo)準(zhǔn)，特別是傾角傳感器的測量范圍有較強(qiáng)的限制性，因此只有配備兩個(gè)雙軸傾角傳感器才能利用AT指令來隨時(shí)取得系統(tǒng)的姿態(tài)，若是傾角傳感器通過垂直的方式進(jìn)行安裝則其中一個(gè)傾角傳感器會(huì)超出測量范圍，這時(shí)候就需要進(jìn)行切換，利用另一個(gè)傾角傳感器繼續(xù)測量系統(tǒng)的姿態(tài)，通過這兩種角度對實(shí)際的測量數(shù)據(jù)姿態(tài)進(jìn)行修正，以此來提升數(shù)據(jù)的精度。為了確保是最終補(bǔ)償效果是正確的，則需要展開相關(guān)的試驗(yàn)。

3.基于柔性靶標(biāo)的外部坐標(biāo)高精度修正

在進(jìn)行礦山結(jié)構(gòu)方面的測量則需要將巷道、采空區(qū)和溜井等測量區(qū)域的空間形態(tài)與礦山本身的坐標(biāo)系進(jìn)行連接，進(jìn)而能夠展開相關(guān)的分析工作，比如通過復(fù)合組合的方式將采空區(qū)、礦山地形圖和工程結(jié)構(gòu)圖組合在一起，就能利用掃描測量程序?qū)ζ潼c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，為了保證測量結(jié)果的坐標(biāo)系與礦山實(shí)際坐標(biāo)系相同，則需要將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)放在礦山坐標(biāo)系當(dāng)中，若是三維激光掃描儀在探測期間所伸入的延長桿會(huì)出現(xiàn)彎曲的情況則需要利用固定式靶標(biāo)來進(jìn)行固定，確保前后靶標(biāo)與掃描主機(jī)主軸之間的不平行，以此來提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)與中段平面圖之間的復(fù)合精度。為了提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)復(fù)合方面的精度，本文在研究期間認(rèn)為需要采用基于激光準(zhǔn)直靶標(biāo)的高精度三維激光掃描測量系統(tǒng)，具體如圖1所示。標(biāo)定系統(tǒng)當(dāng)中包含了后靶標(biāo)、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和前靶標(biāo)，其中的前靶標(biāo)上囊括了激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和標(biāo)定板，該系統(tǒng)之中的光軸與三維激光掃描儀之間的光軸相互平行，為了保障靶標(biāo)標(biāo)定板中心連線與掃描主機(jī)主軸相互平行則需要將后靶標(biāo)改造為一種能夠隨意彎曲和伸縮的結(jié)構(gòu)，具體如圖1（a）所示。在實(shí)際應(yīng)用期間需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保激光準(zhǔn)直系統(tǒng)所發(fā)出的激光束能夠被后靶標(biāo)的標(biāo)定板中心所接受，因激光煮至系統(tǒng)當(dāng)中的光軸與掃描主機(jī)的光軸相互平行，則能利用測量方式確保激光準(zhǔn)直系統(tǒng)光軸方位角與掃描主機(jī)方位角相互一致。

為了試驗(yàn)得出掃描結(jié)果與采礦設(shè)計(jì)圖紙之間的符合效果則需要采用全站儀來進(jìn)行掃描，通過調(diào)整后靶標(biāo)來改變測量坐標(biāo)系的方位，最終將坐標(biāo)信息輸入至三維激光掃描儀軟件來進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而確保掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與采礦設(shè)計(jì)圖紙的復(fù)合精度。

4.結(jié)論

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)是一種針對礦山資源開采所使用的測量設(shè)備，其最終所測量的坐標(biāo)系結(jié)果和空間形態(tài)等結(jié)果對礦山開發(fā)起到顯著的助力，因此需要從根本上優(yōu)化其精度，通過添加適當(dāng)?shù)挠布磉M(jìn)行改良能夠適當(dāng)提升數(shù)據(jù)的精度。

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