地下空间扫描多站拼接及标定技术研究∗

马 志，张 达，陈 凯

(1.北京矿冶研究总院， 北京 102628；2.金属矿山智能开采技术北京重点实验室， 北京 102628)

地下空间扫描多站拼接及标定技术研究∗

马 志1，2，张 达1，2，陈 凯1，2

(1.北京矿冶研究总院， 北京 102628；2.金属矿山智能开采技术北京重点实验室， 北京 102628)

首先介绍了三维激光扫描仪的系统组成和性能特征，然后提出了一套应用于矿山井下的多站点云拼接方法和相应的标定技术，采用在不同地点架设扫描仪，并配合全站仪，将不同站点的点云数据进行拼接。矿山实际应用表明，地下空间扫描多站拼接及标定技术具有快速性、准确性和可靠性的特点，在矿山井下实际测量中取得了良好的效果。

三维激光扫描仪；多点拼接；标定技术

无论是矿山安全监测还是数字化矿山建设，地下空间三维激光扫描技术均具有重要的应用价值[1]。扫描仪每一站点云数据都是相对于坐标原点的扫描结果，为了获取更完整更全面的井下空间形态，就需要将多站点云数据进行拼接。如何实现快速拼接，又如何保证多站点云拼接的精度，一直是地下空间三维空间扫描的难题。

1 三维空间扫描技术

矿用三维激光扫描仪具有便携性和快速性的特点，主要由扫描主机、电源箱、外部线缆、延长杆、三脚架适配器等几部分组成，测量人员可以在矿山井下环境轻松携带、快速组装、快速测量[2-3]。对于巷道和硐室等测量人员能够进入的区域，可以将扫描主机直接架设到三脚架上；对于采空区等危险区域，可以将扫描主机连接到延长杆上，推送进入采空区。

三维激光扫描技术是一种非接触式的测量技术，经过5 min左右的扫描，就可以得到扫描仪视野范围内的三维空间形态，可以称之为一站点云数据。由于矿山井下空间形态各异，经常会有矿堆或者岩石遮挡，一站扫描往往会难以完全表达被测空间形态。因此，在不同的地点架设扫描仪，然后将不同站点的点云数据进行拼接，就可解决这个问题。

2 地下空间多站拼接方法

在矿山井下，无论是采空区扫描，还是巷道或者硐室内扫描，得到的测量结果都是相对于扫描仪坐标原点水平坐标系下的三维空间点云数据，如果需要将这些点云数据映射到矿山坐标系下，通常需要全站仪配合，如图1所示。

图1 拼接技术

O点是扫描仪坐标原点，同时此处安装有靶标激光器，可以发射一条准直激光，并照射到后方岩体或者人为目标上，得到点H。众所周知，矿山井下具有众多坐标已知的导线点，如图1中A点和B点，利用全站仪和这些已知坐标点，就可以得到O点和H点的坐标分别为 (xo，yo，zo)、(xh，yh，zh)。

如图2所示，建立坐标系2表示水平坐标系，坐标系O表示矿山坐标系，坐标系1为辅助坐标系，则坐标系2相对于坐标系O的位置关系可以表示为，坐标系2沿方向移动到O点，再绕Z1轴旋转角度γ。

利用全站仪得到矿山坐标系下H点的坐标为(xh，yh，zh)，O点的坐标为 (xo，yo，zo)，则向量可表示为:

在HO延长线上，取单位向量，则可表示为:

从F点向轴X2做垂线，垂足为G点；再从G点分别向X1轴、Y1轴做垂线，垂足分别为M，N，则有:

则如果空间任意一点P在水平坐标系(坐标系2)下可以表示为 (xp，yp，zp)，则其在矿山坐标系(坐标系O)下的坐标表示为:

图2 拼接解算示意图

3 拼接标定技术

为了提高三维激光扫描仪多站点云拼接精度，需要进行相关的标定和补偿[4-5]。拼接标定主要用于标定扫描主机后面的靶标激光器，整个平台基于水平导轨，如图3所示。

图3 拼接标定

扫描主机和靶标板分别位于标定平台两端，两者距离为l，靶标激光器可以跟随扫描主机第一轴电机做轴向转动。当靶标激光器位于最高位置时，在靶标板上得到激光点M(xm，ym)，旋转180°，将靶标激光器转动到最低位置，此时在靶标板上得到激光点N(xn，yn)。

由几何位置关系可知，靶标激光器在水平方向上偏差角度为:

则经过标定后，如果空间任意一点P在水平坐标系下可以表示为 (xp，yp，zp)，则其在矿山坐标系下可表示为:

4 矿山实际应用

三维激光扫描仪点云拼接技术应用十分广泛，在矿山井下三维模型绘制和数字化矿山建设方面具有重要意义。例如在某矿山巷道测量过程中，分别完成第一站和第二站扫描过程，得到点云数据如图4(a)和(b)所示。通过计算得到扫描主机原点坐标和方位角见表1。

将第一站点云数据和第二站点云数据拼接到一起并映射到CAD图纸中，效果见图4(c)和(d)，两段巷道扫描数据完全拼接到一起，效果清晰明了。

5 总 结

地下空间三维激光扫描技术在矿山具有重要的应用价值，广泛应用于采空区安全治理、出矿量与充填量计算、爆破效果评估、工程验收以及数字化矿山建设等方面[6-7]。为了更充分获取地下空间三维形态，往往需要进行多个站点测量，然后进行拼接。本文提出了一整套针对矿山井下环境的点云拼接方法以及拼接相关的标定技术，简单便捷又有精度保障，同时，在矿山井下实际测量中取得了良好的效果。

国家高技术研究发展计划项目(2011AA060405)；北京矿冶研究总院产业基金项目资助(YJZ-2014-02).