閆偉男，趙洪利，宋林澎

近年來，三維數(shù)據(jù)采集、測量和成型技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用范圍也從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到不同領(lǐng)域。通過三維掃描儀井下開采整體規(guī)劃和制作步驟，最終確定井下測量的數(shù)值。井下測量工程不僅是基于一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還通過對不同井下空間測量的開采數(shù)據(jù)庫，然后進(jìn)行其他后續(xù)處理和分析，所以其工作流程根據(jù)對數(shù)據(jù)資料的處理可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)信息重構(gòu)和數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出。

1 傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)的測量路徑和空白區(qū)域使用全站儀測量法和距離法進(jìn)行測繪工程。在采集過程中，對齊頻率大，需要很多工作人員。采集效率低，數(shù)據(jù)信息為point-shot數(shù)據(jù)信息，不能全面表示空間數(shù)據(jù)，這就對井下數(shù)據(jù)和開采測量等帶來了一定的問題，不能達(dá)到精準(zhǔn)測量的目的。

2 移動手持式三維掃描儀測量

2.1 SLAM技術(shù)詳細(xì)介紹

SLAM（Simultaneous localization and mapping）同步精確定位和地形圖構(gòu)建技術(shù)最早是由RCSmith和P. Cheeseman科學(xué)研究明確提出的。技巧處理是從未知自然環(huán)境的井下和巷道空間未知地址考慮的。1986年，室內(nèi)空間的可變性是在動態(tài)測量的整個過程中，利用反復(fù)觀察到的地形圖特征（墻腳、柱頭等）來準(zhǔn)確定位自身的位置和狀態(tài)，進(jìn)而增加地形量根據(jù)自己的位置建圖，從而在建圖的同時準(zhǔn)確定位三維掃描儀的水中數(shù)值，該技術(shù)的基本原理主要應(yīng)用的是SLAM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。

2.2 儀器設(shè)備

選用法國GEOSLAM手持便攜式ZEB-REVO三維激光掃描儀，儀器配備LAM系統(tǒng)軟件，適用于移動即時快速測量，獲取高精度、高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。關(guān)鍵是激光掃描頭、服務(wù)器、充電電池三部分組成。掃描頭凈重1kg，測量距離30m，掃描范圍：270°×360°。

手持三維掃描儀是一種用于探測和分析真實(shí)世界中物體或周圍環(huán)境的外形（幾何）和外部數(shù)據(jù)（例如色彩）的科學(xué)儀器；如表面反射率等。收集的資料經(jīng)常用于三維重構(gòu)，并在虛擬世界中建立真實(shí)對象的數(shù)碼模型。這些型號適用于各種工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)航、地形測量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物、電影制作、游戲素材等。

3D掃描設(shè)備的制造并不依賴于一項(xiàng)技術(shù)，各種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，價格也存在差異。目前還沒有一種統(tǒng)一的、通用的重構(gòu)技術(shù)，其測量工具和方法常常受到對象的表面特征的限制。例如，光學(xué)技術(shù)在處理閃光（高反射率）、鏡面或半透明表面方面是困難的，而對于易磨損或易磨損的表面，則不能采用激光技術(shù)。3D掃描器被用于在物體的幾何表面上生成點(diǎn)云，點(diǎn)云密度越大，模型就越準(zhǔn)確（此過程稱為3D重構(gòu)）。當(dāng)掃描設(shè)備可以獲得物體的色彩時，可以將材料貼到重構(gòu)的物體上，這就是材料的印刷。

便攜式三維掃描儀的移動工作平臺包括2個萬向腳輪（1）、2個三角軸（2）、底座（3）、鑰匙桿（4）、工作平臺、槽（5）、固定板（12）和電纜滑輪（13），其中兩個萬向腳輪（1）分別固定在底座（3）底端的兩個角上，底座（3）的后側(cè)固定在鍵立柱（4），兩個三角軸（2）分別固定在鍵立柱（4）的底端，工作平臺安裝在鍵立柱（4）上，塞子的凹槽（5）固定在底座（3）的正面，將電纜滑輪（13）的芯子按圓柱驅(qū)動的方法安裝在鍵桿（4）的固定板（12）上軸。該裝置解決了便攜式三維掃描儀在工作全過程中必須實(shí)時移動的技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)際操作方便。

2.3 三維掃描原理

礦山采礦測量技術(shù)為礦山技術(shù)和作業(yè)提供依據(jù)，具體指導(dǎo)采礦和制造中各種項(xiàng)目的準(zhǔn)確性，維護(hù)和監(jiān)督自然資源的有效開發(fā)和設(shè)計(jì)，對工程建設(shè)、制造和技術(shù)承擔(dān)雙向責(zé)任管理方法。采礦的全過程，所以測量的材料必須詳細(xì)、真實(shí)、可靠，這樣才能在采礦和制造中起到保證作用。近年來，隨著科學(xué)合理技術(shù)的飛速發(fā)展，礦山測量技術(shù)也是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。本文的重點(diǎn)是結(jié)合手持式三維激光掃描儀的實(shí)際應(yīng)用，闡述三維激光掃描儀及其配套設(shè)施在礦山中的應(yīng)用。采礦和制造工程項(xiàng)目的主要功能。三維掃描技術(shù)可用于深入復(fù)雜的自然環(huán)境和現(xiàn)場掃描，即時采集各種大中型、復(fù)雜不規(guī)則實(shí)線的三維詳細(xì)數(shù)據(jù)，然后快速重建掃描出來的三維目的模型。

根據(jù)井下測量工程技術(shù)的引入和應(yīng)用，整合和改進(jìn)智能維護(hù)的各種需求，提供各種改進(jìn)數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)計(jì)方法，為更精準(zhǔn)的科學(xué)研究提供依據(jù)。本次科研使用Artec（MHT）便攜式掃描儀采集大、中、小型三維目標(biāo)的數(shù)據(jù)，利用Geomagic建模軟件完成數(shù)據(jù)的求解和實(shí)體模型的重建，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息和三維實(shí)體模型。研究通過參考井下測量工程的方法，展示了如何在具有復(fù)雜表面層和更多凸凹構(gòu)件的預(yù)制構(gòu)件中準(zhǔn)確地進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)體模型重建和三維模型形成和打印。具有良好的實(shí)用效果和科研價值。根據(jù)激光測距的基本原理，得到儀器核心與掃描物體的距離，同時測量掃描物體返回的水平掃描角度值和垂直掃描角度值0，根據(jù)SLAM優(yōu)化算法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫的相關(guān)配對。

2.4 三維掃描測量執(zhí)行過程

第一，規(guī)劃數(shù)據(jù)采集線路，重置并逐步獲取云數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)加載功能在線下載點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第二，依靠GeoSLAM手機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

第三，使用Reconstructor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)打補(bǔ)丁、降噪、坐標(biāo)變換導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

第四，使用三維Reshaper軟件生成模型，將封裝好的實(shí)體模型導(dǎo)出為DXF文件格式。便攜式移動三維激光掃描儀采用LA精準(zhǔn)定位技術(shù)，與重型或背負(fù)式移動掃描儀相比，具有體積小、重量輕、便攜等優(yōu)點(diǎn)。在空間測量中進(jìn)行應(yīng)用研究，對地下停車場進(jìn)行檢查，獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，制作切片提取地下豐闊平面云數(shù)據(jù)，在AD中制作總平面圖，并驗(yàn)證其精度符合規(guī)格。大量的井下測量實(shí)踐結(jié)果表明，儀器獲得的云數(shù)據(jù)精度能夠滿足礦區(qū)地下空間測量圖制作的要求。

3 三維掃描測量實(shí)施結(jié)果

同時對多條路徑進(jìn)行最短路徑算法。在礦場掃描三個測量參考點(diǎn)（用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）后，以人的正常行走速度掃描路徑，即可采集數(shù)據(jù)。獲取信息后，通過手機(jī)軟件對云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、降噪、封裝，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為云數(shù)據(jù)。填充體積和空隙體積可以在 三維 軟件中計(jì)算。

采用英國 GEOSLAM手持式ZEB-REVO三維激光掃描儀，可實(shí)現(xiàn)移動、實(shí)時、高精度的測量，高品質(zhì)的三維點(diǎn)云資料，以激光掃描器為主，三個部件，包括主機(jī)和電池。掃描頭重1千克，30米的距離，270度x360度的掃描。利用激光測距原理，測量了掃描目標(biāo)與掃描目標(biāo)的距離，同時測量了掃描目標(biāo)的側(cè)向掃描角 b和方向的掃描角o，利用 SLAM算法實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的相關(guān)匹配。

移動手持式掃描器的優(yōu)點(diǎn)是：工作效率高，人力資源少，常規(guī)的采掘方式，每個礦井都有一個站點(diǎn)，采用支距法和全站儀碎步測量方法進(jìn)行測向，每一條采掘通道3個人30分鐘，一臺手持式掃描儀啟動后1人以正常的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只需5分鐘。全站儀的測量是單一的，在有限的點(diǎn)集中，建立的模型精度較低；體積不夠精確，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大的掃描數(shù)據(jù)則能產(chǎn)生更高的精度和更精確的體積。

移動手持式三維激光掃描儀可以在很短的時間內(nèi)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其使用方便靈活，獲取的空間數(shù)據(jù)更加精確，適合于井下巷道、空區(qū)等具有顯著特點(diǎn)的區(qū)域測量，可以極大的提高工作效率，節(jié)約人力。但是，在直伸形巷道中，由于特征點(diǎn)不明顯，其掃描精度存在較大的誤差，使其精度難以達(dá)到要求。

三維激光掃描技術(shù)是測繪工程中一項(xiàng)高精度、高效率的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于井下測量工程、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等行業(yè)。便攜式三維激光掃描儀是一種三維激光掃描儀。其便攜性和高精度使其在井下開采過程中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。但在整個使用過程中，具體獲取的掃描數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性通常會受到儀器本身、整體掃描目標(biāo)和外部條件的影響。通過井下實(shí)踐，對便攜式三維激光掃描儀的偏差源進(jìn)行了分類，并對每個偏差源進(jìn)行了分析。比如，以EXASC門便攜式三維激光掃描儀為例，設(shè)計(jì)了相關(guān)的測試方案并對其精度進(jìn)行了測試、檢測和分析。

4 三維掃描測量精度識別

掃描精度使用環(huán)境對所有掃描區(qū)域的井下空間部分進(jìn)行識別，掃描時根據(jù)建筑物的鏡柱獲得全站儀的參考點(diǎn)。對比兩組數(shù)據(jù)，較大定位點(diǎn)間距離為±0.08m，滿足制造要求。 ZEBHORIZON手持移動三維激光掃描儀是法國GeoSLAM系列掃描儀的新成員。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，凈重僅1.3kg，測量范圍100m，它適用于室內(nèi)和室外條件。在三維掃描工作中，憑借其強(qiáng)大的SLAM技術(shù)，機(jī)器的相對精度可以達(dá)到3C水準(zhǔn)。由于手持掃描儀輕巧、小巧，在測繪項(xiàng)目的辦公環(huán)境中可以自由行走，即使在狹窄崎嶇的自然環(huán)境中也能輕松工作。100m的測量范圍可以滿足大部分測繪項(xiàng)目的要求。高視場可以輕松獲取大量數(shù)據(jù)信息，精致、方便、快捷的外觀設(shè)計(jì)，使其可以手持工作，也可以搭載在無人機(jī)、單肩包、活動裝置上，或通過機(jī)械裝置進(jìn)行加裝或倒裝，從而基于相同的規(guī)則實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量自然環(huán)境不便。

橫坐標(biāo)為規(guī)格，縱軸為點(diǎn)云大小，激光測距規(guī)格較弱，24個認(rèn)證規(guī)格中，最小為0.632m，較弱者為2.5cm，較大者為43.105m。弱點(diǎn)是4.2cm。從實(shí)踐中可以看出，手持移動三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云規(guī)格和紅外測距儀的檢測規(guī)格都在5cm以內(nèi)，并且隨著測量距離的變化，較弱的不擴(kuò)大也不縮小發(fā)展趨勢。從實(shí)測27.014m～13.105m來看，較弱者基本位于3cm～5cm中間。基于采樣的樣本，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差并分析結(jié)果。使用手持移動式三維激光掃描儀進(jìn)行礦區(qū)地下空間勘測，采集的數(shù)據(jù)信息無偏差，整體性，相對精度可達(dá)3cm，一定規(guī)格精度可調(diào)整至5cm，得到的點(diǎn)云可達(dá)1：500工程項(xiàng)目圖零件精度要求。

5 移動手持掃描儀的優(yōu)勢和應(yīng)用

5.1 提升工作能力

手持式三維掃描儀器可以提高工作能力，節(jié)省人員投資，傳統(tǒng)測量，每條采礦路徑設(shè)置一個測站，采用支撐距離法或全站臺步測法測量迎頭機(jī)動，測量一條采礦路徑3人耗時30min，手持掃描儀開機(jī)后，一個人以所有正常速度走來走去采集數(shù)據(jù)，只用時5min。ZEB-HORIZON手持式三維激光掃描儀用于礦山低層室內(nèi)空間勘測新項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用檢測。傳統(tǒng)的測量技術(shù)融合全站儀法進(jìn)行現(xiàn)場測量難度大、效率低。手持掃描儀不受外界條件影響，工作效率顯著提高。對某寫字樓的礦區(qū)地下空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用GNSS接收機(jī)將參考點(diǎn)放置在空曠區(qū)域，然后根據(jù)全站儀進(jìn)行先導(dǎo)測量，短時間之內(nèi)，只有測繪項(xiàng)目的工作量才能進(jìn)行測量，手持式三維激光掃描儀，現(xiàn)場測量時間約半小時，原始記錄量約幾G，將生成的三維點(diǎn)云切片。

5.2 提升測量精度

傳統(tǒng)的井下、巷道全站儀測量是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)信息，相對有限的點(diǎn)生成模型精度差，體積不準(zhǔn)確，而掃描儀生成大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，精度高，體積更準(zhǔn)確。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及其在測繪工程領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越多的測繪項(xiàng)目必須使用三維激光掃描技術(shù)來采集和求解數(shù)據(jù)。根據(jù)工作模式和介質(zhì)的不同，三維激光掃描儀分為路架式三維激光掃描儀、背包式三維激光掃描儀、便攜式移動式三維激光掃描儀及其L波段三維激光掃描儀。其中，便攜式移動三維激光掃描儀體積最小，凈重最輕，比其他掃描儀更便攜。它只需要一個人拿著它來收集數(shù)據(jù)。它對自然環(huán)境的要求不高，可以達(dá)到可測量的。配合后期圖像處理軟件，可以輕松轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云，無需進(jìn)行復(fù)雜的點(diǎn)云拼湊工作。在測繪項(xiàng)目中使用它，將進(jìn)一步提高野外工作的效率，提供更多的豐富性，結(jié)果顯示方式和二次應(yīng)用。

5.3 三維數(shù)據(jù)信息重構(gòu)

實(shí)體模型的重建主要是利用井下測量工程軟件Geomagic對掃描到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法和svm算法，重建出準(zhǔn)確的實(shí)體模型。Geomagic手機(jī)軟件具有強(qiáng)大的反模型功能。遵循點(diǎn)鏈接和不規(guī)則圖形鏈接的工作流程，可以很容易地從點(diǎn)云構(gòu)建最終的不規(guī)則圖形實(shí)體模型和樣條四邊形網(wǎng)格。映射，并將其轉(zhuǎn)換為NURBS坡度，該模型是高效的。Artec Studio掃描手機(jī)軟件在拼接掃描的數(shù)據(jù)信息時已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)預(yù)處理，并轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格圖的實(shí)體模型。在科學(xué)研究中，利用Geomagic手機(jī)軟件的關(guān)鍵模型對實(shí)體模型進(jìn)行擬合、診斷和修復(fù)，并對實(shí)體模型進(jìn)行裁剪和改進(jìn)。及其外觀等，以重構(gòu)數(shù)據(jù)信息。100m的測量范圍，在礦區(qū)地下空間的自然環(huán)境中，您可以邊走邊高效采集地下空間布局的空間數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云切片并導(dǎo)入CAD后，即可進(jìn)行礦區(qū)地下空間制作所需的勘測制作工作。

5.4 SLAM技術(shù)優(yōu)勢

同時定位與建圖（SLAM）技術(shù)是移動測量的關(guān)鍵技術(shù)，也是近年來網(wǎng)絡(luò)科研的熱點(diǎn)。SLAM可以描述為：基于位置測繪工程環(huán)境的移動掃描系統(tǒng)軟件。傳感器獲得的信息識別出它的位置，同時逐漸構(gòu)建出體積不斷增加的周圍環(huán)境的地形圖。SLAM優(yōu)化算法利用傳感器獲得的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行標(biāo)定和配對。傳感器范圍越大，視場越寬，獲得和參與標(biāo)定的數(shù)據(jù)信息越多，配對偏差就越小。SLAM優(yōu)化算法大致可分為兩類：基于濾波器的方法和基于圖的方法基于濾波器的優(yōu)化算法僅使用當(dāng)前光電傳感器的測量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樗鼪]有考慮上一次的測量數(shù)據(jù)信息，在精確定位和地形圖構(gòu)建層面。根據(jù)圖提升的方法，采用全局提升配對方式，標(biāo)定采用從原始時間到當(dāng)前時間的所有測量數(shù)據(jù)信息，狀態(tài)不斷被新信息標(biāo)定，實(shí)際效果更強(qiáng).基于圖提升的SLAM優(yōu)化算法主要涉及前端和后端兩部分。前面部分負(fù)責(zé)合成方法，計(jì)算室內(nèi)空間管束的關(guān)系。創(chuàng)建室內(nèi)空間管束的關(guān)鍵是這兩種方法，一種是基于附近的傳感器。另一種是基于閉環(huán)控制測試創(chuàng)建的，即傳感器在整個行駛過程中一直返回到之前的地方生成一個閉環(huán)，然后生成室內(nèi)空間管理束關(guān)聯(lián)。后者負(fù)責(zé)改進(jìn)，優(yōu)化的基礎(chǔ)是前面生成的室內(nèi)空間束之間的關(guān)系。在移動掃描系統(tǒng)軟件的整個過程中，前臺不斷創(chuàng)建新的室內(nèi)空間管理協(xié)會，后者根據(jù)這個室內(nèi)空間管理協(xié)會不斷完善，優(yōu)化結(jié)果交給前臺攜帶出新的計(jì)算，前后端繼續(xù)進(jìn)行。移動掃描系統(tǒng)的相互實(shí)際操作促進(jìn)了移動掃描系統(tǒng)軟件現(xiàn)狀和組成方式的不斷升級。

6 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景拍攝數(shù)據(jù)存儲方式，具有高效、高精度測量等優(yōu)點(diǎn)。三維測量技術(shù)發(fā)展迅速，日趨完善，在這個階段，三維掃描機(jī)器和設(shè)備正在逐步效率化。手持式三維激光掃描儀通過發(fā)射激光對被測物體進(jìn)行掃描，獲得被測物體表面的三維坐標(biāo)，其巨大的優(yōu)勢取決于快速掃描被測物體的能力。掃描可以立即獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，無需反射面棱鏡。這樣，可以有效地進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界的三維建模和虛擬表示，移動手持式三維激光掃描儀可以快速獲取室內(nèi)空間點(diǎn)的云數(shù)據(jù)信息。調(diào)用對齊式掃描儀更加方便靈活，得到的空間數(shù)據(jù)庫更加準(zhǔn)確。在測繪工作中，可以大大提高測繪工程的工作效率，節(jié)省人員人力資源，但對于特征點(diǎn)不顯著的直伸斜井，掃描精度有一定誤差，需要進(jìn)一步研究和改善。