礦山一體化空間信息測量儀的研制

余樂文 張元生 陸得盛 張 宣

(北京礦冶研究總院,北京 100260)

礦山一體化空間信息測量儀的研制

余樂文 張元生 陸得盛 張 宣

(北京礦冶研究總院,北京 100260)

針對目前礦山空間信息測量儀器存在操作復雜、測量效率低、便攜性差、集成化程度低等問題，研制了一種操作簡單、高效、手持式的一體化空間信息測量裝置，該裝置根據相位法計算測量距離，結合傾角和方位角計算空間點的三維坐標。開發了測量儀的硬件系統，具備自主供電、數據測量與本地化儲存、無線通訊等功能，實現手持測量空間三維形態；開發了系統測量軟件平臺，實現通訊接口及測量參數配置、實時測量坐標顯示、空間對象實體建模及三維形態展示、模型分析與評估等功能。在礦山井下進行試驗，測量儀可快速測量未知區域空間點的三維坐標，測量距離最遠達83 m，測量誤差小于1 cm，具有操作簡單、高效、便攜等特點，試驗結果證明系統的有效性和可靠性，滿足礦山空間信息一體化測量需求。

礦山測量 三維坐標 三維重建

目前，在礦山空間信息測量技術中常見的測量手段主要包括經緯儀、水準儀、全站儀、GPS、三維激光掃描儀，但上述技術在實際應用過程中存在一定的問題，如：測量過程復雜、工作效率低、系統的集成化作業程度不高等，難以滿足礦山的復雜應用需求[1-3]。針對目前礦山測量過程中存在的問題，研制出一種手持式空間信息測量儀，可快速測量空間點三維坐標，提高測量工作效率。

1 測量方法

一體化空間信息測量儀采用相位激光測量原理，通過測量回波信號相位與發射信號相位差來計算測量距離[4-5]。使用測量儀時，首先應先將測量儀對準已知點，測量到已知點的距離、方位角和傾角，計算出測量儀自身的坐標；然后，以測量儀坐標為基點，獲取基點到被測點的距離和角度值，通過計算獲得被測點的坐標值，見圖1，其三維坐標計算原理見圖2。

圖1 測量方法原理Fig.1 Principle of the measurement method

圖2 計算原理Fig.2 Principle of calculation

已知坐標系內一點A(x0,y0,z0)，坐標系內的任一點B(xi,yi,zi)，傳感器測得B點對于A點的傾角α

和方位角θ，由此可得到任意B點坐標的計算公式為

式中，L為A、B兩點之間的距離，m；α為B點對于A點的傾角，(°);θ為B點對于A點的方位角，(°)。距離L計算方程[6-7]為

式中，L為待測距離，m；λ為波長，m；φ為相位差，rad。

2 儀器研制

2.1 系統組成

一體化空間信息測量儀主要包括硬件系統及軟件平臺兩部分。硬件系統由傳感器、微控制器、電池、通訊電纜、PDA組成；測量軟件平臺由通訊接口及測量參數配置、實時測量坐標顯示、空間對象實體建模及三維形態展示、模型分析與評估等功能模塊組成，見圖3。

圖3 系統結構Fig.3 Structure of the system

2.2 硬件設計

一體化測量儀通過相位式激光測距傳感器獲取距離值，采用高精度電子羅盤和傾角傳感器獲取方位角與傾角，通過微控制器完成集成和運算，實時顯示測量點三維坐標，并實現本地化儲存，或通過有線或無線方式與PDA進行數據交互；電池實現測量儀的本地化供電。

2.3 軟件設計

軟件平臺由上位機和下位機組成。下位機軟件實現信號采集、數據處理、數據存儲、數據查看與傳輸等功能，具體功能包括：①參數設置，包括當地磁偏角和已知點空間坐標值；②距離和角度測量，同步采集距離和角度信息并保存，供坐標解算使用；③坐標解算，根據算法和參數解算儀器或被測點坐標值；④數據保存，保存解算的坐標值；⑤數據傳輸，通過有線和無線方式傳輸測量結果至上位機。

上位機實現點云實時展示、三維建模、模型分析與評估等功能[8-11]，具體功能包括：①點云實時展示，通過實時通信獲取測點坐標數據并在三維坐標系中實時展示；②三維建模，通過對測量的三維點云坐標進行實體建模；③模型分析與評估，實現三維模型體積計算、邊界提取、剖面分析等。

3 試 驗

礦山一體化空間信息測量儀在承德銅興礦業有限公司下一中段39線附近巷道測試，該區域濕度大、粉塵大，環境惡劣，具有代表性。

3.1 性能測試

將一體化測量儀固定在三腳架上，利用單點連續測量方式測試儀器測距性能，將最遠測量的數據通過曲線表示，見圖4。

由于智能全站儀測距精度高，誤差小于1 mm，因此以智能全站儀測量的數據為基準，測試一體化測量儀的測距精度。在同一測量點，將測量儀測量的數據與智能全站儀測量數據對比，見圖5。

圖4 量程測試結果Fig.4 Range test results

圖5 精度測試結果Fig.5 Accuracy test results

經過測試，測量儀在井下環境下最遠測量距離達83 m，測量誤差小于1 cm。

3.2 測量試驗

測量儀通過測量自身到已知控制點的距離、傾角和方位角來計算自身坐標，然后測量巷道中任意點三維坐標，采集的點云數據實時顯示在軟件中，對數據進行三維建模，見圖6。

圖6 巷道三維模型Fig.6 Three-dimensional model of underground roadway

巷道測量過程操作簡單，數據顯示、處理簡潔，巷道測量耗時65 s。試驗證明，礦山一體化空間信息測量儀可快速、精確實現巷道空間三維形態測量。

4 結 論

研制出一種礦山一體化空間信息測量儀，其特點為體積小、質量輕，簡單便攜；測量儀可在礦山惡劣環境下使用，測距能力達83 m，精度達1 cm，滿足礦山測量需求；測量儀操作簡單，可快速測量巷道三維形態，提高測量工作效率和安全性；測量儀還可應用到礦山開采過程中炮孔的高精度定位，為潛孔鉆機的鉆孔定位提供數據支撐。

[1] Calkins J M. Quantifying Coordinate Uncertainty Fields in Coupled Spatial Measurement Systems[D]. Virginia：Virginia Polytechnic Institute，2002.

[2] Domenico A M，Jafar J，Fiorenzo F，et al. Indoor GPS：System functionality and initial performance evaluation[J]. International Journal of Manufacturing Research，2008，3(3)：335-343.

[3] 余樂文,張 達,余 斌,等. 礦用三維激光掃描測量系統的研制[J]. 金屬礦山，2012(10)：101-103. Yu Lewen，Zhang Da，Yu Bin，et al. Research of 3d laser scanning measurement System for mining[J]. Metal Mine，2012(10):101-103.

[4] 汪 濤. 相位激光測距技術的研究[J]. 激光與紅外，2007，37 (1)：29-31. Wang Tao. Research of the phase laser ranging technology[J]. Laser & Infrared，2007,37(1):29-31.

[5] Zhang Yucun，Liu Haibin. A detection method of laser doppler signal based on topological contra variance[J]. Optoelectron Lett，2009，5(4)：295-298．

[6] 黃 震，劉 彬. 脈沖激光測距中時間間隔測量的新方法[J]. 光電子·激光，2006，17 (9)：1153-1155. Huang Zhen，Liu Bin. New method to measure the time-of-flight in pulse laser ranging[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2006，17(9)：1153-1155.

[7] 黃軍芬，黃民雙，孫亞玲，等. 基于偽非均勻采樣的高精度時間間隔測量方法[J]. 光電子·激光，2012，23 (10)：1945-1948. Huang Junfen，Huang Minshuang，Sun Yaling，et al. High precision time-interval measurement method based on pseudonanuniform sampling[J] Journal of Optoelectronics·Laser，2012，23(10)：1945-1948.

[8] Fiorenzo F，Maurizio G，Domenico M，et al. On-line diagnostics in the mobile spatial coordinate measuring system[J]. Precision Engineering，2009，33(4)：408-417.

[9] 蓋志剛，趙 杰，楊 立，等. 一種新型激光智能水位測量系統的研制[J]. 光電子·激光，2013，24(3)：569-572. Gai Zhigang，Zhao Jie，Yang Li，et al. Development of new laser intelligent water level measuring system[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2013，24(3)：569-572.

[10] Wu Yonghua，Hu Yihua，Xu Shilong，et al. Design of airport wake vortex monitoring system based on 1.5 μm pulsed coherent doppler lidar[J]. Optoelectron·Lett，2011，7(4)：298-303．

[11] 張元生. 面向地下礦山的多尺度建模技術[J]. 有色金屬：礦山部分，2012，64 (1)：1-4. Zhang Yuansheng. Multi-scale modeling technology for underground mines[J].Nonferrous Metals：Mining Section，2012，64(1)：1-4.

(責任編輯 鄧永前)

Research on the Measurement Instrument of Mine Spatial Information Integration

Yu Lewen Zhang Yuansheng Lu Desheng Zhang Xuan

(BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy，Beijing100260，China)

In view of the current situation of measurement system for mine spatial information，such as complicated operation，low efficiency，poor portability，poor integration，a new simple，efficient，hand-held measurement instrument of mine spatial information integration was developed.The instrument can calculate the distance by adopting the phase method and acquire the three-dimensional coordinate data by combining with the dip and the azimuth. The hardware system of the instrument was developed，with the functions of independent power supply，storage of measurement data，wireless communications and others so as to realize the three-dimensional handheld measurement. The measurement software of the instrument was improved，with the functions of communication interface and measured parameters configuration，real-time display of the survey coordinate，entity modeling and three-dimensional display of the space objects，and analysis and evaluation of the models. When tested in underground mine，the measurement instrument can quickly obtain three-dimensional coordinates of the unknown underground areas and realize the maximum measuring range of the instrument at 83 m and maximum measuring error of the instrument at 1cm with the characteristics of simplicity，high efficiency and portability. Its effectiveness and reliability can meet the requirements of the measurement of mine spatial information integration.

Mine surveying，Three-dimensional coordinate，Three-dimensional reconstruction

2014-01-02

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(編號：2011AA060405)，國家國際科技合作專項(編號：2011DFA71990)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2012BAB01B04，2012BAK09B03)。

余樂文(1984—)，男，碩士研究生，工程師。

TD178

A

1001-1250(2014)-05-118-03