王健1，2，李雷1，姜岩1
（1．山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266590; 2．DepartmentofGeomaticsEngineering，UniversityofCalgary，Calgary，Alberta，Canada，T2N1N4)
一、前言
（1．山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266590; 2．DepartmentofGeomaticsEngineering，UniversityofCalgary，Calgary，Alberta，Canada，T2N1N4)
自1999年首届“国际数字地球”大会提出“数字矿山”（digitalmine）概念以来，关于数字矿山的定义尚未完全统一。一般认为，数字矿山是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系，在统一的时间坐标和空间框架下，将矿山中的固有信息数字化，并按三维坐标组织起来，以实现矿山生产与安全管理的数字化和三维化，从而建设数字化、自动化、信息化和智能化的矿山体系。而其建设离不开详尽、真实的基础地理数据。
二、技术依据
山东黄金集团是山东省政府直属的国有大型企业、规模最大的黄金基地，其黄金产量、经济效益、资产质量、科技水平及人才优势均居全国同行业前列，也是国家重点扶持的520户企业和中国500强企业之一。虽然通过资源整合，其资源储备不断增加，但资源的分布也越来越分散，这就给企业下一步的资源管理及利用提出了新的要求，传统的管理方法与手段已不再适用。该集团率先提出了数字矿山整体部署，以建设安全、高效、经济的智能化矿山为目标，形成了对金属地下矿山具备普遍适用性的数字矿山建设框架与实施方案。引进了SURPAC三维数字化矿山软件，并利用其数字化金矿附近的地形地质图、录入钻孔资料、数字化图纸等现有基础资料，建立了矿区的地质数据库，实现了地质、测量、采矿及安全等现有专业信息共享，为实现数字化矿山奠定了基础。但是，基础信息的采集、整理、处理与利用工作则做得还不够，尤其是缺乏有效的井下数据获取手段，没有建立统一的大型基础数据库。
为了获取精确的、详尽的基础空间数据，满足数字化矿山的需求，山东科技大学于2011年在山东黄金集团下属的全国单体产金最高的新城金矿开展“基于激光测量技术的矿井真实全景数据获取与建模”的研究，采用三维激光扫描仪进行了大量的井上、下测量试验，取得了初步的成果。本文结合该项目详细介绍了三维激光扫描仪在金矿井下的测量方案、数据处理过程、巷道模型重建及成果应用等关键技术。
传统测绘技术只能提供断面特征点、巷道中线、导线坐标数据进行三维巷道模型建设，因此很难得到比较全面真实的巷道模型。由于井下650m处的巷道内存在阴暗、高温、潮湿、空间狭小等不利条件，为了能更加详尽的获取巷道信息且快速完成扫描任务，特选用TrimbleFX扫描仪。该扫描仪是一款高效移动性的、高清晰的三维激光扫描仪，如图1所示，重量仅9kg。该扫描仪可以架设在三脚架上，也可以设置在其他支架、柱体、装饰或者天花板托梁上，这就允许用户在任何环境下架设并使用该仪器，并且仪器架设无需整平，无需单独精确扫描觇标或者定位球，每测站架设仅需3～5min，适合在井下复杂环境中进行扫描测量。快速、精确、非接触等优点使得三维激光扫描技术已广泛应用于复杂曲面的模型重建。而其所获取的密集的表面点云数据也使得模型重建技术不再受曲面复杂度的影响，利于恢复出准确的几何信息和较强真实感的三维模型。目前主要能满足金矿如下几方面的需求。
图1 Trimble FX扫描仪
1）金矿的开采矿量计算是一项重要的任务，需要快速、准确地掌握开采量，并为后续管理提供技术支持。传统的体积测量往往误差较大，而本研究则将激光扫描测量技术专门用于快速、高效、高精度地解决矿量验收问题。实现了高密度点云数据的快速采集、快速数据处理与分析、高精度体积计算、三维模型操作、报表输出、数据管理等功能。可快速全面地采集采场的详细空间信息，经过后续数据处理还可生成各种管理所需要的数据报表、效果图及三维模型，并可进一步实现三维场景的重建，实现对采场的信息化与可视化管理。
2）实现三维立体的直观设计。针对损失量、贫化量及设计工程量，原先只能利用CAD通过对平面面积的估算来进行设计，其结果也只是一个估算值。而利用点云数据对可建立详细的金矿矿体实体模型和无轨机械化采场巷道的三维模型，并以此为基础可实现精确、直观的设计，从而更好地为决策者提供技术支持，可实现技术和管理工作的信息化、标准化、高效化，实现技术管理工作由手工方式向数字化方式转型。
3）为原有的Surpac三维数字化矿山软件平台提供急需的详尽的基础空间数据。利用传统地质测绘资料建设的矿体实体模型，很难得到全面真实巷道的三维模型，如图2所示。巷道是井下各种要素的主要载体，因此快速真实的重现巷道的三维模型对矿山的安全生产、施工决策等具有重要意义。采用三维激光扫描仪获取的点云数据及其模型成果可以制作成Surpac软件需要的格式，从而有效整合并利用现有资源，大大提升矿区生产管理的信息化水平。
图2 矿体实体模型
三、技术应用
根据井下特殊的作业环境，项目选定TrimbleFX三维激光扫描仪作为井下数据采集的设备。该设备的性能指标如表1所示。
1．扫描方案
为了获取与现有系统统一的数据成果，需要将点云数据从扫描仪坐标系转换到井下实际工程坐标系。由于井下特殊的作业环境，选择空间分布合理、易于识别的特征点进行坐标的转换比较困难，所以根据巷道形状特点，采用“步进式”扫描方法，即逐步向前推进扫描，并将前后两站间的点云通过扫描仪专配的目标球连接匹配。扫描4站后需用全站仪再次给出控制点坐标，直到完成整个巷道的扫描。首先由免棱镜全站仪给出控制点坐标，如图3中4个星状标志的坐标。它们的作用是用来将扫描仪坐标系转换到井下实际工程坐标系，其可按一定的几何空间固定在巷道中，并且它们的坐标是由免棱镜全站仪获取的。
图3 扫描方案
2．点云配准
为了得到巷道的整体信息，须通过配准将各个测站数据融合为一个整体。该方法是利用点云数据中的变换信息或在数据获取的同时引入多个控制点数据，并基于多个控制点在空间的几何不变性，得到不同控制点在不同测站下的匹配关系，进而求得不同测站下的坐标系转换关系，最终对全部的点云数据进行配准。点云配准需求解6个空间相似变换参数，即3个角元素、ω、κ；3个平移量ΔX、ΔY、ΔZ。用最小二乘平差法通过3对或3对以上同名点解算。采用的平差模型为
根据多测站配准误差传播模型
当设站次数为4时，点云配准误差传播最小。因此，每4站就需要用全站仪再次给出控制点坐标。通过前面的分析，为了最快地完成扫描工作并得到精度最佳的点云数据，选择如下配准方式：首先利用相同的控制点将测站1和测站2的点云数据融合为一个整体测站1+2；然后以同样的方法将测站1+2和测站3融合为一个整体测站1+2+3；再将测站1+2+3和测站4的数据组成一个整体，从而得到匹配好的4个测站的点云数据；最后通过已知点坐标将所有的点云数据统一到井下工程坐标系中。经过滤波和配准后的巷道点云如图4所示。可进行一般的距离、角度等量算分析，如图5所示。也可以将原始数据转换为用户需要的数据格式，导入Auto-CAD、3dsMax及Surpac等软件中，作进一步处理分析。
图4 配准后的巷道点云图
图5 基于点云的空间分析
3．模型重建
多测站采集点云数据基本可以获取巷道的整体数据，但在一些细节部位仍存在空洞，这在实际测量过程中是不可避免的。可采用构建三角网的方式建立巷道的三维模型，然后进行纹理修饰。在RealWorksModeler模块中中创建巷道模型分为以下几步。
1）采样。由于点云数据量巨大，一般在模型化之前都要进行数据的删减，以减小点云数据的密度，从而减少模型化的生成时间及最终模型的大小。在RealWorksModeler模块中用“spatialsam-pling”命令对点云数据进行采样。
2）生成三角网。对于三维点云数据表面的模型重建，就是将上述得到的出于同一坐标系里的点云数据自动而快速地生成三角网格。三角网格的间隔可自行指定，间隔越小，生成的三角网格越多。生成的三角网格已经把重复的部分变成单层和一个完整的模型了。
3）清理和弥补漏洞。前文提过，在数据获取的过程中由于外界的干扰因素影响，造成扫描不能够获取所有目标物体表面信息，点云信息存在漏洞，这样就导致在模型化之后表面出现黑洞。因此，模型化之后还需要进行一些编辑工作，如删除不必要的三角网格、弥补没有扫描到的漏洞、光滑表面、生成层面数据、生成带有厚度的模型。
4）创建模型。完成以上各步后用“creat”命令创建模型，创建好的模型可根据不同需求可输出*．dxf、*．obj、*．pol、*．wrl等格式，以满足利用3dsMax、Surpac等软件进行进一步的编辑处理和应用的需求。
图6 硐室内部结构模型
巷道中的主要管道（通风管道、排水管道）、线路（电力电缆、通信电缆）、监控设备、照明灯及其硐室等都可根据需要基于点云进行单独建模。如图6所示。
根据获取的密集的激光点云数据，可以实现精确的计算、分析及其模型重建。
4．采场的体积计算
4．采场的体积计算
由于采场底面都是凹凸不平的，所以在选择投影面的时候不能简单地选取某一平面作为投影面，而是将上一次的充填面作为求取本次采场体积的投影面。根据顶板点云将其用方格网切割形成n个微小的正方形，进而投影到底部的投影面上，从而投影形成无数个小的长方体，高为h。假定采样间隔为d，则每一个小投影面的长度dx=dy=d，采样间隔取极限小值的时候，即可求得整个采场的体积为
对采场体积的划分越精细，计算结果就越精确，计算结果也就越接近真值，如图7所示。
图7 体积计算
5．巷道表面分析
根据点云数据不仅可以随时对感兴趣巷道区域的进行变形分析，还可实现三维立体的精确、直观设计与分析，如图8、图9所示。
图8 设计与实测的对比图
图9 巷纵断面图分析
6．成果输出与共享
利用三维激光扫描仪获取的点云数据及其模型成果可以制作成Surpac软件需要的格式，并直接在该三维数字化矿山软件平台中进行应用，如图10所示。最大限度地整合了矿山原有的资源，大大提升了矿区生产管理的信息化水平。
图10 Surpac中采场点云数据
该项目的实施首次将三维激光扫描仪应用到矿山井下进行数据采集，不仅为数字矿业本身未来的发展准备了力量，也为行业树立了一个标杆。
四、结束语
笔者通过近一年的试验研究，采用三维激光扫描仪扫描完成了井下近20km主体巷道的信息采集，完成了海量点云数据处理，以及巷道的三维建模、排水和通风管道的三维建模、电力和通信电缆的三维建模、井下人员定位系统建模，并且研究了与现有应用平台软件的数据通信方式和数据输出格式。从而实现井下所有的数字化、信息化成果的时间、空间坐标的统一，达到了信息的共享，有效解决了信息孤岛问题。采用三维激光测量技术初步解决了黄金矿山井下巷道的数字化及后续的矿量验收等各项应用问题。
当然，在该技术工程应用中也面临一些急需要解决的问题，如海量点云数据的处理与管理方法、基于点云的信息快速提取方法、利用海量点云精细建模的速度等问题，这都严重制约着该技术在数字矿山等工程实践中的推广，尚需进一步的深入研究。
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