礦用三維激光掃描測量系統測量精度提升與應用

廖世龍

【摘? 要】三維激光掃描儀是用來測量空間點坐標系數據的測量設備，可以快速獲取到測量對象的三維空間形態，但是現階段對礦山的三維激光掃描儀所獲取的數據相對較難，點云數據與實際圖紙的精準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的前提上加入雙軸傾角傳感器等系統，以此來完善對點云傾角和翻滾角等數據精準度。本文主要針對礦用三維激光掃描測量系統測量精度提升與應用展開研究，首先對礦用三維激光掃描測量系統進行簡要的介紹，其次提出了基于雙傾角傳感器的姿態動態補償，最后提出了基于柔性靶標的外部坐標高精度修正。

【關鍵詞】三維激光掃描儀;點云數據;精度提升

引言

我國具有豐富的礦產資源，但是礦產資源的分配上相對復雜，我國在進行礦產資源開發商所采用的手段過于粗糙，并且隨著對地表的多年采集，部分優質的礦產資源已經被開發完畢，因此需要從地表礦產開發轉入到地下深部開發，在這種背景下就需要獲取到最高精準度的三維空間信息數據，以此針對開采期間采空區爆前爆后的空間形態變化進行有效的測量，并且參考礦產資源的具體三維數據來分析開采環節的損失情況，進而提升二步回采的開采效益。另外，針對溜井和采空區等具備井巷結構的區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，進而展開分析并判斷低壓的災害程度，最終能夠通過超前預警等方式進行及時的處理，盡量減少采礦作業所存在的安全隱患。三維激光掃描期間所取得的數據精度相對較高，并且不需要接觸就能夠在地下開采環節當中取得三維空間信息的數據，而北京礦治科技集團有限公司所開發的BLSS-PE礦用三維激光掃描測量儀正是為此而量身定做的設備。

因礦用三維激光掃描測量系統主要是針對礦產資源所研發的設備，因此需要盡可能提升對被測物體三維形態的測量精度，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行精度補償，其二是添加激光指示裝置來提升設備測量的方位角精度。

1.礦用三維激光掃描測量系統介紹

北京礦治科技集團有限公司通過6年來不斷的努力，最終開發出的BLSS-PE礦用三維激光掃描側梁系統能夠有效對礦產資源的巷道、采空區和溜井等區域的三維空間形態進行測量，以此展開后續的礦產資源開發工作，并根據此類信息決定相關的安全處理措施，該系統的存在突破了傳統激光掃描技術，極大程度上加強了我國礦山測量的技術含量。

2.基于雙傾角傳感器的姿態動態補償

礦用三維激光掃描測量系統能夠高效率測量目標的三維空間形態，但其最終的掃描結果只是作用于設備的坐標系，若是設備安裝的水平不夠或出現翻滾情況就會導致最終掃描結果的三維點云與水平面之間出現一定角度，點云數據在XZ視圖上最終所呈現出的結果存在一定的傾斜，在YZ視圖上出現明顯翻滾，若是掃描點云數據與測量對象的形態相同則最終結果存在著較大的差異性，為了確保兩者之間的姿態相同則需要進行姿態補償，為了做到這一點就需要在硬件設計方面增加相關的傾角傳感器來確保掃描結果傾角信息和滾動角信息符合標準，特別是傾角傳感器的測量范圍有較強的限制性，因此只有配備兩個雙軸傾角傳感器才能利用AT指令來隨時取得系統的姿態，若是傾角傳感器通過垂直的方式進行安裝則其中一個傾角傳感器會超出測量范圍，這時候就需要進行切換，利用另一個傾角傳感器繼續測量系統的姿態，通過這兩種角度對實際的測量數據姿態進行修正，以此來提升數據的精度。為了確保是最終補償效果是正確的，則需要展開相關的試驗。

3.基于柔性靶標的外部坐標高精度修正

在進行礦山結構方面的測量則需要將巷道、采空區和溜井等測量區域的空間形態與礦山本身的坐標系進行連接，進而能夠展開相關的分析工作，比如通過復合組合的方式將采空區、礦山地形圖和工程結構圖組合在一起，就能利用掃描測量程序對其點云數據進行總結，為了保證測量結果的坐標系與礦山實際坐標系相同，則需要將掃描點云數據放在礦山坐標系當中，若是三維激光掃描儀在探測期間所伸入的延長桿會出現彎曲的情況則需要利用固定式靶標來進行固定，確保前后靶標與掃描主機主軸之間的不平行，以此來提升點云數據與中段平面圖之間的復合精度。為了提升點云數據復合方面的精度，本文在研究期間認為需要采用基于激光準直靶標的高精度三維激光掃描測量系統，具體如圖1所示。標定系統當中包含了后靶標、激光準直系統和前靶標，其中的前靶標上囊括了激光準直系統和標定板，該系統之中的光軸與三維激光掃描儀之間的光軸相互平行，為了保障靶標標定板中心連線與掃描主機主軸相互平行則需要將后靶標改造為一種能夠隨意彎曲和伸縮的結構，具體如圖1（a）所示。在實際應用期間需要人工進行調節，確保激光準直系統所發出的激光束能夠被后靶標的標定板中心所接受，因激光煮至系統當中的光軸與掃描主機的光軸相互平行，則能利用測量方式確保激光準直系統光軸方位角與掃描主機方位角相互一致。

為了試驗得出掃描結果與采礦設計圖紙之間的符合效果則需要采用全站儀來進行掃描，通過調整后靶標來改變測量坐標系的方位，最終將坐標信息輸入至三維激光掃描儀軟件來進行坐標轉化，進而確保掃描點云數據與采礦設計圖紙的復合精度。

4.結論

礦用三維激光掃描測量系統是一種針對礦山資源開采所使用的測量設備，其最終所測量的坐標系結果和空間形態等結果對礦山開發起到顯著的助力，因此需要從根本上優化其精度，通過添加適當的硬件來進行改良能夠適當提升數據的精度。

參考文獻

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