煤矿巷道三维激光扫描测量精度研究

煤矿巷道三维激光扫描测量精度研究摘要：三维激光扫描是煤矿巷道测量重要的技术方法为提高三维激光扫描的测量精度，应加强对激光扫描技术的研究，充分了解影响测量精度的因素，掌握三维激光扫描基本原理及技术要点，提高技术应用科学性、规范性及有效性，确保测量精度达到煤矿巷道要求随着煤矿智能化、数字化发展在巷道掘进中积极应用具有较高自动化及信息化水平的三维激光扫描技术获取巷道数据在此基础上构建巷道模型实现巷道数字化管理用由于煤矿井下环境复杂开测量精度会受井下环境、作业空间以及三维激光扫描设备等因素影响用应加强对三维激光扫描技术的研究将测量误差控制在允许范围内开为建模分析及数字化矿山建设提供可靠依据1概述煤矿巷道测量中的三维激光扫描技术所谓三维激光扫描技术就是利用高速激光对目标物表面进行大面积快速扫描测量弈以获取各测点坐标数据、颜色信息以及反射率等基础信息并形成点云数据开从而为三维模型构建以及数据分析提供参考依据的先进测量技术用由于三维激光扫描技术具有较高的自动化和信息化水平开能够在不接触危险环境的情况下高效、快速完成测量工作且具有较高的测量精度因此在煤矿巷道测量工作中得到广泛应用用2影响煤矿巷道三维激光扫描测量精度的主要因一般在进行三维激光扫描时要求检校场空旷且尽量减少场地人流量以及其他可能影响测量精度的因素用但在煤矿巷道测量中应用三维激光扫描时开巷道环境较为特殊具有距离长、作业面窄、分支多等特点开而且巷道是煤矿井下作业的重要通道开设备材料和矿石均需通过巷道运输客观上加大了三维激光扫描测量的难度导致测量精度下降用同时在煤矿巷道往往存在较大粉尘导致点云噪点增加这也会影响激光扫描测量精度用2.2仪器设备因素三维激光扫描测量的精度会受仪器设备自身质量性能影响用部分煤矿由于对巷道测量工作缺乏足够重视或者受经济条件和技术水平等客观因素限制开为巷道测量工作所配置的三维激光扫描仪在相位差以及稳定性等方面存在局限性开测量设备的内外符合精度未能达到巷道测量的精度控制标准严重影响巷道测量工作质量和效率用同时在应用三维激光扫描技术测量煤矿巷道时开一般需要利用里程计以及惯性测量单位控制扫描仪位姿开但惯性测量单元中配置的陀螺仪往往会出现漂移等现象开在长时间累积计算后会导致误差累积严重影响测量精度2.3扫描距离因素在应用三维激光扫描技术对煤矿巷道进行测量时扫描距离也是影响测量精度的重要因素用通过分析发现开当点云密度条件相同时扫描距离与点位中误差成正比例关系也就是在扫描距离增加的同时州点位中误差也会相应加大²1用要保证三维激光扫描的测量精度开就需要根据激光扫描仪的性能特点合理确定扫描距离提高测量质量和效率2.4点云密度因素点云密度是影响三维激光扫描在煤矿巷道测量中精度的重要因素通过对测量经验总结发现用当点云密度降低时开测量精度会下降开这表明二者成正相关关系用为保证测量精度应结合扫描仪性能特点等因素开合理确定各测站扫描时间2.5其他因素在煤矿巷道测量中应用三维激光扫描技术时由于巷道较长在测量实践中一般需要采用分段测量方式开因此会形成多个点云数据#这些点云数据在与同一地理坐标系进行对准转换时存在难度且大距离点云数据在对准后的处理拼接也存在困难开这些因素会对测量精度产生不同程度影响用3提高煤矿巷道三维激光扫描测量精度的有效对策3.1了解煤矿巷道环境在应用三维激光扫描技术对煤矿巷道测量时由于巷道内水雾存在以及粉尘浓度等均会对测量精度产生较大影响因此应充分了解巷道环境准确测定粉尘浓度及温湿度开以便为仪器设备选择以及扫描测量方案制定提供重要参考依据用3.2做好扫描测量准备工作在应用三维激光扫描技术对煤矿巷道进行测量时开应充分了解巷道基本情况并要做好准备工作开为保证测量精度创造良好的前提条件3.2.1合理规划扫描路径煤矿应根据井下巷道布局结构合理规划扫描路径制定三维激光扫描技术应用方案用在测量准备阶段应利用现有导线点进行高反反光贴布设导线点应设置一个由两片独立的反光贴拼合而成的直角反光贴组应合理控制其尺寸和规格在设置反光贴时应采用胶体将其黏贴牢固用同时开应结合扫描距离的总长度科学控制导线点布设数量3¹#3.2.2选用高精度测量仪器设备煤矿应为巷道测量工作配置质量性能较高的三维激光扫描仪以及其他配套设备在选择测量仪器设备时可以以控制点坐标数据为基础测定标靶球心坐标并与三维激光扫描仪测量数据进行对比分析开计算其相位差从而判断测量精度同时还应采取多次观测值取均值的方式计算扫描仪的点位中误差判断其精度是否符合测量标准4#煤矿应积极引入由旋转云台、多线激光雷达以及其他配套设备构成的移动式激光扫描系统用以更好地适应复杂井下巷道环境的扫描测量要求为提高测量效率和精度提供硬件支持用3.2.3合理控制扫描距离在应用三维激光扫描技术对煤矿巷道测量时开应了解扫描仪的质量性能开准确掌握其单点定位精度且应在实测前验证仪器上的标称精度判断测量结果的实际精度是否能够达到标称水平在此基础上应合理控制目标物扫描距离开降低点位中误差一般扫描距离不应超过40m用在测量长距离煤矿巷道时应采用分段测量方式开以保证测量精度3.2.4合理控制点云密度在确定点云密度时为保证测量精度应根据三维激光扫描仪性能合理设置水平分辨率以及垂直分辨率且一般应将各测站扫描时间控制在20min以内#同时在单次采集点云数据时要避免时间过长防止误差累积影响测量精度3.3规范采集原始点云数据测量技术人员在完成高反反光贴布设后开应通过三维激光扫描系统动态标定其位置之后应严格按照技术规范要求采集原始点云数据用每次点云数据采集应在下一导线点处停止且应在再次动态标定后才能继续进行原始点云数据采集工作用完成规划采集路径的所有数据采集工作后方可进行下一环节的数据同时应用三维激光扫描技术进行煤矿巷道测量时开应准确掌握坐标转换要点#数据采集起始点可采用已知导线点开并在导线点正下方设置激光扫描仪在巷道两侧应分别设置高反标定物之后利用全站仪对高反标定物进行测量获取其中心坐标数据用应根据全站仪测量数据以及仪器参数对动态标定系数进行计算分析确定坐标转换参数3.4准确掌握点云噪声滤波预处理要点为保证三维激光扫描测量精度需要对点云进行大尺度噪声以及小尺度噪声的滤波处理用大尺度噪声是与主体点云相距较远的点云以及位于主体点云附近但存在偏离现象、稀疏分布的点#此类点云由于所含特征信息量较少可作为噪点处理用大尺度噪声处理可以采用统计滤波处理方式去除在实际操作中应先统计分析各点云数据中所有点邻域可假设其呈高斯分布特征并根据标准差以及均值确定其形状以便计算每个点与任意点的间距用以此为依据求取其均值及标准值用当某点与任意点的间距平均值超出标准差时即可将其视为噪点进行删除5用小尺度噪声是与主体点云相混合的噪点开会对点云模型精度及平整度产生不利影响用在对其进行滤波处理时应先设定隐式全面以涵盖给定点点集开再向该曲面投射采样点局部点开之后可通过高阶多项式逼近开从而完成对采样点的平滑及去噪处理3.5规范提取点云关键点提取点云关键点及特征描述是保证三维激光扫描测量精度的重要环节用在提取点云关键点时可以采用SIFT特征检测算法并与局部特征描述有机结合确保点云特征描述完整且具有较好的可描述性及代表性应用SIFT特征检测算法提取点云特征能够保持点云数避免在提取过程中出现变化用通过SIFT对点云局部特征进行提取时开首先应构建尺度空间#图像的二维尺度空间可结合可变高斯函数、图像上指定点挫败数据以及尺度空间因子等要素定义其函数用当尺度空间因子取值较小时开图像平滑度较高而两同阶相邻层函数之差即为高斯差分金字塔曲之后应在尺度函数空间范围内确定检测极值点用煤矿巷道可将所有采样点依次与相邻层及同层内的各相邻点对比，获得局部最大值极值点或者最小值的极值点，即可将其作为候选的下一个关键点位曲在确定了极值点后，还需过滤特征点，并对其进行定位用可采用三维二次拟合方式获得特征点位置及尺度数据，并通过泰勒展开对尺度函数进行处理后求取其偏导用当特征点的对比度较低或者边缘点稳定性较关键点方向值进行计算时，可以通过梯度直方图对领域像素加以统计，以获取其梯度方向，而在梯度直方图中的主峰值也就是关键点主方向值在构建特征描述子采用FPFH特征描述算法完成快速点特征直方图的计算分析，为提高测量精度奠定良好基础用在应用FPFH算法时，一般需要景观点对坐标系构建、特征算子计算以及特征编码等步骤为保证三维激光扫描测量的精度，在煤矿巷道测量工作中应准确提取巷道轮廓线应以点云模型为基础，对其进行整体顶透视处理，并应向水平面投射三维点云模型，以便进行内外部轮廓线设置，一般其宽度应按照单点设定同时，应将内外部轮廓线中所有数据点坐标批量导出并复制用之后，可以以坐标数据为依据，利用AutoCAD软件中的相关功能完成轮廓线提取任务曲通常当两导线点相距较远时，可能出现点云模型轮廓线与平面图存在局部位置偏差现象在完成轮廓线提取后，应将提取的点云模型轮廓线与煤矿巷道平面图进行对照分析，判断整体吻合度是否符合巷道测量精度要求在完成轮廓线的提取后，可应用专业软件系统测量煤矿巷道的纵向高度等用同时，可结合巷道关键点坐标数据以及平面图纸进行巷道模型构建及修正，确保巷道模型具有较高精度，能够客观、准确反映巷道情况，为巷道测量提供参考依据，促进测量精度和测量效率全面提升3.7点云数据拼接精度控制要点在完成煤矿巷道的三维激光扫描测量后，测量技术人员应对各测站点云数据进行拼接处理，且应合理控制相邻两种数据的重叠度，保证点云拼接精度用同时，应从局部纵向切割精度及整体偏差两方面对点云拼接精度进行评价分析，确保整体测量精度达到巷道测量技术规范要求在分析局部纵向切割精度时，可以以轮廓线数据点为基础，合理控制纵向切割间隔，同时对巷道切割后巷道顶底板间距进行测量，并抽取一定数量的样本点样本点数量可根据巷道长度进行调整，但应注意控制样本点的点云定位精度用之后，应根据巷道测量高度与点云成果切片测量值的差值进行计算分析，如偏差值在测量精度允许范围内则可判断测量精度达标此外，还应将点云模型投影与平面图叠合对照，控制整体测量偏差为保证三维激光扫描的测量精度，还需要对点云进行配准处理#点云配准通常要经过粗配及精配两个环节用在粗配准时，一般是在未知点云相对位姿的条件下进行点云配准处理，能够为后续的精配准提供较可靠的初始值粗配准可以采用FPFH算法等获得初始变换矩阵，之后在目标点云上配准源点云用而在精配准时，较常用方法是迭代最近点算法等用在应用该方法精配准时，应合理设定约束条件，以便在目标点云