矿用三维激光扫描测量系统测量精度提升与应用

廖世龙

【摘  要】三维激光扫描仪是用来测量空间点坐标系数据的测量设备，可以快速获取到测量对象的三维空间形态，但是现阶段对矿山的三维激光扫描仪所获取的数据相对较难，点云数据与实际图纸的精准度存在着较高的误差，针对这种情况需要在BLSS-PE矿用三维激光扫描测量系统的前提上加入双轴倾角传感器等系统，以此来完善对点云倾角和翻滚角等数据精准度。本文主要针对矿用三维激光扫描测量系统测量精度提升与应用展开研究，首先对矿用三维激光扫描测量系统进行简要的介绍，其次提出了基于双倾角传感器的姿态动态补偿，最后提出了基于柔性靶标的外部坐标高精度修正。

【关键词】三维激光扫描儀;点云数据;精度提升

引言

我国具有丰富的矿产资源，但是矿产资源的分配上相对复杂，我国在进行矿产资源开发商所采用的手段过于粗糙，并且随着对地表的多年采集，部分优质的矿产资源已经被开发完毕，因此需要从地表矿产开发转入到地下深部开发，在这种背景下就需要获取到最高精准度的三维空间信息数据，以此针对开采期间采空区爆前爆后的空间形态变化进行有效的测量，并且参考矿产资源的具体三维数据来分析开采环节的损失情况，进而提升二步回采的开采效益。另外，针对溜井和采空区等具备井巷结构的区域展开激光扫描能够得出其所存在的垮落位置、容量与朝向，进而展开分析并判断低压的灾害程度，最终能够通过超前预警等方式进行及时的处理，尽量减少采矿作业所存在的安全隐患。三维激光扫描期间所取得的数据精度相对较高，并且不需要接触就能够在地下开采环节当中取得三维空间信息的数据，而北京矿治科技集团有限公司所开发的BLSS-PE矿用三维激光扫描测量仪正是为此而量身定做的设备。

因矿用三维激光扫描测量系统主要是针对矿产资源所研发的设备，因此需要尽可能提升对被测物体三维形态的测量精度，考虑到这方面本文展开研究，主要分为两种方式：其一是添加倾角传感器来进行精度补偿，其二是添加激光指示装置来提升设备测量的方位角精度。

1.矿用三维激光扫描测量系统介绍

北京矿治科技集团有限公司通过6年来不断的努力，最终开发出的BLSS-PE矿用三维激光扫描侧梁系统能够有效对矿产资源的巷道、采空区和溜井等区域的三维空间形态进行测量，以此展开后续的矿产资源开发工作，并根据此类信息决定相关的安全处理措施，该系统的存在突破了传统激光扫描技术，极大程度上加强了我国矿山测量的技术含量。

2.基于双倾角传感器的姿态动态补偿

矿用三维激光扫描测量系统能够高效率测量目标的三维空间形态，但其最终的扫描结果只是作用于设备的坐标系，若是设备安装的水平不够或出现翻滚情况就会导致最终扫描结果的三维点云与水平面之间出现一定角度，点云数据在XZ视图上最终所呈现出的结果存在一定的倾斜，在YZ视图上出现明显翻滚，若是扫描点云数据与测量对象的形态相同则最终结果存在着较大的差异性，为了确保两者之间的姿态相同则需要进行姿态补偿，为了做到这一点就需要在硬件设计方面增加相关的倾角传感器来确保扫描结果倾角信息和滚动角信息符合标准，特别是倾角传感器的测量范围有较强的限制性，因此只有配备两个双轴倾角传感器才能利用AT指令来随时取得系统的姿态，若是倾角传感器通过垂直的方式进行安装则其中一个倾角传感器会超出测量范围，这时候就需要进行切换，利用另一个倾角传感器继续测量系统的姿态，通过这两种角度对实际的测量数据姿态进行修正，以此来提升数据的精度。为了确保是最终补偿效果是正确的，则需要展开相关的试验。

3.基于柔性靶标的外部坐标高精度修正

在进行矿山结构方面的测量则需要将巷道、采空区和溜井等测量区域的空间形态与矿山本身的坐标系进行连接，进而能够展开相关的分析工作，比如通过复合组合的方式将采空区、矿山地形图和工程结构图组合在一起，就能利用扫描测量程序对其点云数据进行总结，为了保证测量结果的坐标系与矿山实际坐标系相同，则需要将扫描点云数据放在矿山坐标系当中，若是三维激光扫描仪在探测期间所伸入的延长杆会出现弯曲的情况则需要利用固定式靶标来进行固定，确保前后靶标与扫描主机主轴之间的不平行，以此来提升点云数据与中段平面图之间的复合精度。为了提升点云数据复合方面的精度，本文在研究期间认为需要采用基于激光准直靶标的高精度三维激光扫描测量系统，具体如图1所示。标定系统当中包含了后靶标、激光准直系统和前靶标，其中的前靶标上囊括了激光准直系统和标定板，该系统之中的光轴与三维激光扫描仪之间的光轴相互平行，为了保障靶标标定板中心连线与扫描主机主轴相互平行则需要将后靶标改造为一种能够随意弯曲和伸缩的结构，具体如图1（a）所示。在实际应用期间需要人工进行调节，确保激光准直系统所发出的激光束能够被后靶标的标定板中心所接受，因激光煮至系统当中的光轴与扫描主机的光轴相互平行，则能利用测量方式确保激光准直系统光轴方位角与扫描主机方位角相互一致。

为了试验得出扫描结果与采矿设计图纸之间的符合效果则需要采用全站仪来进行扫描，通过调整后靶标来改变测量坐标系的方位，最终将坐标信息输入至三维激光扫描仪软件来进行坐标转化，进而确保扫描点云数据与采矿设计图纸的复合精度。

4.结论

矿用三维激光扫描测量系统是一种针对矿山资源开采所使用的测量设备，其最终所测量的坐标系结果和空间形态等结果对矿山开发起到显著的助力，因此需要从根本上优化其精度，通过添加适当的硬件来进行改良能够适当提升数据的精度。

参考文献

[1]贺健.三维激光扫描测量系统的应用及解析[J].中国新技术新产品，2019（21）：15-16.

[2]字金华，周艳，袁丽萍. 三维激光扫描测量系统在特殊高程面设计的土石方测量中的应用[C].云南省测绘地理信息局、云南省测绘地理信息学会.云南省测绘地理信息学会2015年学术年会论文集.云南省测绘地理信息局、云南省测绘地理信息学会：云南省科学技术协会，2015：646-651.

[3]李兵.FARO三维激光扫描测量系统在锦屏二级水电站大型引水隧洞开挖中的应用[J].四川水力发电，2015，34（S2）：9-12.