3D建模技术在采空区治理项目上的应用

摘  要：传统测绘基于特征点间的几何关系建立被测物体的空间模型；而激光扫描技术则是以点云数据为基础，凭借逆向工程技术重构研究对象的三维模型。相较于传统测绘技术，激光扫描技术具有数据采集、数据处理效率高，数据质量可追溯性强等特点。文章利用Geomagic Studio建模软件和激光扫描技术，结合某采空区治理项目，讨论3D建模技术在地下空间工程计量中应用的可行性。

关键词：3D扫描技术；Geomagic Studio软件；采空区治理；工程计量

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）20-0100-05

Application of 3D Modeling Technology in Goaf Governance Projects

DONG Xueyuan

（Xuzhou China Mining Geotechnical Technology Co.， Ltd.， Xuzhou  221000， China）

Abstract： Traditional surveying and mapping establishes a spatial model of the measured object based on the geometric relationships between feature points; Laser scanning technology， on the other hand， is based on point cloud data and reconstructs the three-dimensional model of the research object using reverse engineering technology. Compared to traditional surveying and mapping technology， laser scanning technology has the characteristics of high efficiency in data collection and processing， and strong traceability of data quality. This paper uses Geomagic Studio modeling software and laser scanning technology， combined with a goaf governance project， to discuss the feasibility of applying 3D modeling technology in underground space engineering measurement.

Keywords： 3D scanning technology; Geomagic Studio software; goaf governance; engineering measurement

0  引  言

近些年，国际形势复杂多变，能源又一次成为国际热点。我国作为煤炭储存大国，如何合理高效地利用煤炭能源及其占有的空间资源，已成为社会持续向好的关键所在。采空区是煤炭等矿产能源开采后的产物，经过治理的采空区，可以恢复其对应地面空间的利用价值。准确掌握采空区状态是合理制定采空区治理方案的首要步骤，常规采空区状态调查多以文字资料搜集为主，不能直观展示采空区的初始状态。随着三维模型概念的兴起，采空区三维空间模型成为记录采空区初始状态的有力工具，采空区治理全过程三维模型也成为展示治理效果的直观媒介。采空区作为地下空间，具有通视条件差，光线昏暗，结构复杂等特点，传统测绘手段在地下空间数据采集方面存在种种不足，采空区模型构建更是难上加难。三维激光扫描技术克服了传统测绘在视野方面的桎梏，具有全天候、快速实时、不受光线影响等优势。通过三维激光扫描技术获取的点云数据，是研究三维模型的基础，国内点云数据处理及应用技术方面的文献数量已颇具规模。董秀军[1]阐述了三维激光扫描技术在地质工程领域有着广泛的应用前景；杨蘅[2]的研究表明基于点云数据构建三维模型，是常规建模技术无法比拟的，点云处理技术具有广阔的应用空间；张亚[3]实现了建构筑物的三维模型重建，其中点云数据蕴含建构筑物的纹理、细节，后处理软件的合理使用关乎建模质量；Geomagic Studio软件[4-10]作为典型的逆向工程软件，能够快速地将三维点云数据拟合成曲面，再由曲面构建三维模型，这个过程省去了人工干预，由软件自动执行。根据国内文献研究成果，三维建模技术本质上实现了研究对象的数字模型化，在数字模型层面讨论各项应用研究。本文通过三维激光扫描技术和Geomagic Studio后处理软件配合的模式，以及近景摄影测量和三维成图软件后处理的模式，分别从成本投入、建模精度、建模时间和成果类型等方面，比较说明两种模式在采空区建模时的特性，探讨三维激光扫描技术在采空区三维建模应用中的优越性。

1  技术路线

三维激光扫描的技术原理是短时间内由激光发射装置发射激光，经被测物体反射至激光接收装置，基于光电测距原理获得具有相对三维坐标信息的点云数据，点云数据通过建模软件处理后形成曲面，最终由曲面构造三维模型。采空区三维模型构建技术路线可分为三个部分。

1.1  外业数据采集

本次建模研究使用的是架站式三維激光扫描仪天宝SX10，它结合了全站仪和激光扫描仪的功能，能够在基站绝对坐标已知的情况下，利用导线控制测量方式同时获取被测物体的绝对三维坐标。外业数据采集过程包括控制网布设和架站点选择，根据采空区的空间特点，合理布设控制网形式和架站点位置。外业数据采集内容包括架站点三维坐标和被测物体三维点云数据，前者是控制模型精度的基准，后者是模型精细化程度的单位构成。

1.2  内业数据处理

架站式三维激光扫描仪集成了全站仪和激光扫描仪的功能，由扫描仪获取被测物的点云数据，这些数据是在测站坐标系统内的三维数据，是相对坐标，需要根据测站绝对坐标转换成绝对坐标数据，这个过程是通过仪器配套软件YBC及七参数转换模型实现的。由于采空区内环境十分复杂，三维激光扫描仪会产生许多噪声数据，这部分噪声数据包含冗余数据和不同测站对同一区域扫描的重复数据，前者通过人机交互去除噪声数据，后者主要依靠重采样进行处理。

1.3  Geomagic Studio软件建模及应用

经过绝对坐标转换和去噪处理的点云数据，还需要借助三维建模软件进行模型构造，Geomagic Studio软件作为直接处理点云数据建模的工具，已经得到了广泛的应用，其原理是基于点云数据构建三维空间三角网，由三角网拟合形成空间曲面，经过平滑、去锐角、着色等处理，形成三维空间模型。三维空间模型具有多种查询功能，可以满足不同类型多样化的需求及应用。

传统测绘三维建模需要依靠专业测量仪器和3D成图软件，本次采用近景摄影测量技术配合3D-MAX和PS成图软件，其原理是依靠测绘仪器采集的具有（X， Y， Z）坐标信息的特征点数据，构造三维曲面模型，通过3DMAX和PS处理过的图像三维模型进行模型贴图，最终形成具有影像特征的三维模型。传统测绘三维建模实质上是不同数据源调用的过程，每项数据都需要独立采集、处理和存储，相比三维激光扫描技术，工作量要多很多。

2  工程应用

某采空区位于湖南省长沙市，开采地层为泥盆系灰岩及泥灰岩，现已停采，采空区面积约16 000 m2，寬度为4～60 m，高度为5～40 m；矿层厚度较稳定，产状较平稳，岩石抗压、抗剪强度较高，岩体较完整，未采取支护措施，矿体直接顶板为矿体本身灰岩，胶结良好，但有少量裂隙；底板围岩亦为灰岩，其物理力学性质与矿体基本相同。采空区内存积厚层淤泥，呈饱和、流塑状态，厚度为0.40～13.6 m。地下岩溶中等发育。为确保在设计使用年限内，采空区辐射范围内地表、地表和地下水系、上部建构筑物的安全，对采空区进行加固衬砌加固。

由于项目工期紧、任务重，业主要求实时上报工作面进展情况。采取快速高效的测量手段是本项目的首要因素，采空区洞室为单向掘进巷道，洞室两端不通视，洞室内有施工临时用电，沿洞室侧墙有照明装置，洞室底部存在积水。根据现场施工环境，采用天宝SX10架站式三维激光扫描仪作为采空区洞室主要建模工具，将工业相机与全站仪相结合进行比较分析，研究三维激光扫描仪的技术优势。

2.1  外业数据采集

控制测量采用闭合导线布控，从洞室外侧布设导线点，在洞室外侧闭合，形成一个闭合导线。每一个导线点兼做架设三维扫描仪的对中点。施工面在42 m左右，根据现场踏勘，导线布设4个观测点，分别在不同导线点处架设扫描仪开展三维扫描工作，如图1所示。扫描仪根据特征合理的扫描点间距和范围，采集多个视角、多个位置的数据构成完整的目标对象。

2.2  内业数据处理

三维激光扫描仪扫描洞室内部获取海量点云数据，利用如图2所示的天宝SX10扫描仪配套商用软件TBC，将不同测站、不同视角的数据进行影像配准，这种归一化处理是利用布尔莎七参数转换模型将各测站独立部分匹配到统一的坐标系统中。七参数模型包含三个旋转参数、三个平移参数和一个尺度参数。

其中，m表示尺度参数；ε表示旋转参数；X0表示平移参数。

点云数据由相对坐标系转换成绝对坐标系，实现了将点云数据统一至地面坐标系统的目的，方便三维空间的整体化管理。

2.3  Geomagic Studio软件建模及应用

Geomagic Studio软件作为直接处理点云数据建模的工具，其原理是基于点云数据建立三维空间三角网，由三角网拟合形成空间曲面，经过平滑、去锐角、着色等处理，形成三维空间模型。建模流程包括：如图3所示的数据导入—如图4所示的封装—数据处理（松弛、删除钉状物、减少噪声、填充孔洞等）—如图5、图6所示的模型应用。

工业相机配合全站仪三维建模，主要工作包括数据源的采集和生产。一方面，三维曲面和空间结构轮廓是三维模型的骨架，这部分数据的得来是借助全站仪，根据洞室空间结构特点，全人工采集获得。依据传统测绘手段，需要由仪器操作手、特征点确定人员，观察辅助人员等组建数据采集团队，合力完成数据采集工作。三维影像则是借助工业相机，由专业人员拍摄获取。另一方面，CAD绘图和3D建模仍需要人机交互，如果存在特征数据不足，还会出现返工情形。过多的不确定性制约着传统测绘建模的发展，如图7所示。

传统测绘三维建模整合了多项硬件和软件处理技术，相比于三维激光扫描技术，建模工作是多个领域的集成。而三维激光扫描技术则是一维到三维空间理论研究的产物，遵循了点—线—面—体的逻辑秩序，更符合现实场景的实际需求。从数据采集到数据处理，三维激光扫描技术的自动化程度要优于传统测绘手段，在控制精度相同的前提下，三维激光扫描技术最大限度避免了人为粗差数据的存在，庞大的点云数据弥补了传统测绘在立体空间测量上的不足，在技术现代化方面，三维激光扫描技术更是先进生产力的产物；在模型加载和实际应用方面，三维激光扫描技术仅需单一软件支撑，模型单位细化到每个点元素，每个点具有单独矢量信息，具有先天的优势，传统测绘构造的三维模型则需要有复杂的数据库做支撑，通过调用多种数据源，从感官上模拟三维模型，各项应用功能依托于支撑软件的二次开发，在使用操作和功能拓展方面受到限制。

通过本次采空区治理项目三维建模全过程发现，三维激光扫描技术和传统测绘建模具有如表1所示的特点。

从表1中可以看出，三维激光扫描技术在成本投入、建模精度、建模时间和成果类型等方面明显优于传统测绘技术。

3  结  论

本文以采空区治理项目空间建模的应用为着入点，讨论三维激光扫描技术和传统测绘手段在成本投入、建模精度、建模时间和成果类型等方面的优缺点，通过工程实例中的对比，三维激光扫描技术表现出诸多优势。

采空区经过三维建模，实现了工程实体信息的数字化。对于采空区的空间几何信息，在建模软件的环境下，由复杂的空间数据转变为简单的属性信息。利用软件查询功能，项目管理人员可以轻而易举地实时把控项目进程。相较于根据设计图纸和工程进度估算项目工程量，三维建模技术在采空区治理项目工程计量方面更有优势。

参考文献：

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作者简介：董雪园（1988—），男，汉族，江苏徐州人，工程师，硕士，研究方向：大地测量学与测量工程。

收稿日期：2023-04-04