閆偉男,趙洪利,宋林澎
近年來,三維數(shù)據(jù)采集、測(cè)量和成型技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用范圍也從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到不同領(lǐng)域。通過三維掃描儀井下開采整體規(guī)劃和制作步驟,最終確定井下測(cè)量的數(shù)值。井下測(cè)量工程不僅是基于一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),還通過對(duì)不同井下空間測(cè)量的開采數(shù)據(jù)庫,然后進(jìn)行其他后續(xù)處理和分析,所以其工作流程根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)資料的處理可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)信息重構(gòu)和數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出。
傳統(tǒng)的測(cè)量路徑和空白區(qū)域使用全站儀測(cè)量法和距離法進(jìn)行測(cè)繪工程。在采集過程中,對(duì)齊頻率大,需要很多工作人員。采集效率低,數(shù)據(jù)信息為point-shot數(shù)據(jù)信息,不能全面表示空間數(shù)據(jù),這就對(duì)井下數(shù)據(jù)和開采測(cè)量等帶來了一定的問題,不能達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量的目的。
SLAM(Simultaneous localization and mapping)同步精確定位和地形圖構(gòu)建技術(shù)最早是由RCSmith和P. Cheeseman科學(xué)研究明確提出的。技巧處理是從未知自然環(huán)境的井下和巷道空間未知地址考慮的。1986年,室內(nèi)空間的可變性是在動(dòng)態(tài)測(cè)量的整個(gè)過程中,利用反復(fù)觀察到的地形圖特征(墻腳、柱頭等)來準(zhǔn)確定位自身的位置和狀態(tài),進(jìn)而增加地形量根據(jù)自己的位置建圖,從而在建圖的同時(shí)準(zhǔn)確定位三維掃描儀的水中數(shù)值,該技術(shù)的基本原理主要應(yīng)用的是SLAM技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。
選用法國GEOSLAM手持便攜式ZEB-REVO三維激光掃描儀,儀器配備LAM系統(tǒng)軟件,適用于移動(dòng)即時(shí)快速測(cè)量,獲取高精度、高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。關(guān)鍵是激光掃描頭、服務(wù)器、充電電池三部分組成。掃描頭凈重1kg,測(cè)量距離30m,掃描范圍:270°×360°。
手持三維掃描儀是一種用于探測(cè)和分析真實(shí)世界中物體或周圍環(huán)境的外形(幾何)和外部數(shù)據(jù)(例如色彩)的科學(xué)儀器;如表面反射率等。收集的資料經(jīng)常用于三維重構(gòu),并在虛擬世界中建立真實(shí)對(duì)象的數(shù)碼模型。這些型號(hào)適用于各種工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測(cè)、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)航、地形測(cè)量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物、電影制作、游戲素材等。
3D掃描設(shè)備的制造并不依賴于一項(xiàng)技術(shù),各種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足,價(jià)格也存在差異。目前還沒有一種統(tǒng)一的、通用的重構(gòu)技術(shù),其測(cè)量工具和方法常常受到對(duì)象的表面特征的限制。例如,光學(xué)技術(shù)在處理閃光(高反射率)、鏡面或半透明表面方面是困難的,而對(duì)于易磨損或易磨損的表面,則不能采用激光技術(shù)。3D掃描器被用于在物體的幾何表面上生成點(diǎn)云,點(diǎn)云密度越大,模型就越準(zhǔn)確(此過程稱為3D重構(gòu))。當(dāng)掃描設(shè)備可以獲得物體的色彩時(shí),可以將材料貼到重構(gòu)的物體上,這就是材料的印刷。
便攜式三維掃描儀的移動(dòng)工作平臺(tái)包括2個(gè)萬向腳輪(1)、2個(gè)三角軸(2)、底座(3)、鑰匙桿(4)、工作平臺(tái)、槽(5)、固定板(12)和電纜滑輪(13),其中兩個(gè)萬向腳輪(1)分別固定在底座(3)底端的兩個(gè)角上,底座(3)的后側(cè)固定在鍵立柱(4),兩個(gè)三角軸(2)分別固定在鍵立柱(4)的底端,工作平臺(tái)安裝在鍵立柱(4)上,塞子的凹槽(5)固定在底座(3)的正面,將電纜滑輪(13)的芯子按圓柱驅(qū)動(dòng)的方法安裝在鍵桿(4)的固定板(12)上軸。該裝置解決了便攜式三維掃描儀在工作全過程中必須實(shí)時(shí)移動(dòng)的技術(shù)問題,結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)際操作方便。
礦山采礦測(cè)量技術(shù)為礦山技術(shù)和作業(yè)提供依據(jù),具體指導(dǎo)采礦和制造中各種項(xiàng)目的準(zhǔn)確性,維護(hù)和監(jiān)督自然資源的有效開發(fā)和設(shè)計(jì),對(duì)工程建設(shè)、制造和技術(shù)承擔(dān)雙向責(zé)任管理方法。采礦的全過程,所以測(cè)量的材料必須詳細(xì)、真實(shí)、可靠,這樣才能在采礦和制造中起到保證作用。近年來,隨著科學(xué)合理技術(shù)的飛速發(fā)展,礦山測(cè)量技術(shù)也是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。本文的重點(diǎn)是結(jié)合手持式三維激光掃描儀的實(shí)際應(yīng)用,闡述三維激光掃描儀及其配套設(shè)施在礦山中的應(yīng)用。采礦和制造工程項(xiàng)目的主要功能。三維掃描技術(shù)可用于深入復(fù)雜的自然環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)掃描,即時(shí)采集各種大中型、復(fù)雜不規(guī)則實(shí)線的三維詳細(xì)數(shù)據(jù),然后快速重建掃描出來的三維目的模型。
根據(jù)井下測(cè)量工程技術(shù)的引入和應(yīng)用,整合和改進(jìn)智能維護(hù)的各種需求,提供各種改進(jìn)數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)計(jì)方法,為更精準(zhǔn)的科學(xué)研究提供依據(jù)。本次科研使用Artec(MHT)便攜式掃描儀采集大、中、小型三維目標(biāo)的數(shù)據(jù),利用Geomagic建模軟件完成數(shù)據(jù)的求解和實(shí)體模型的重建,從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息和三維實(shí)體模型。研究通過參考井下測(cè)量工程的方法,展示了如何在具有復(fù)雜表面層和更多凸凹構(gòu)件的預(yù)制構(gòu)件中準(zhǔn)確地進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)體模型重建和三維模型形成和打印。具有良好的實(shí)用效果和科研價(jià)值。根據(jù)激光測(cè)距的基本原理,得到儀器核心與掃描物體的距離,同時(shí)測(cè)量掃描物體返回的水平掃描角度值和垂直掃描角度值0,根據(jù)SLAM優(yōu)化算法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫的相關(guān)配對(duì)。
第一,規(guī)劃數(shù)據(jù)采集線路,重置并逐步獲取云數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)據(jù)加載功能在線下載點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
第二,依靠GeoSLAM手機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。
第三,使用Reconstructor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)打補(bǔ)丁、降噪、坐標(biāo)變換導(dǎo)出數(shù)據(jù)。
第四,使用三維Reshaper軟件生成模型,將封裝好的實(shí)體模型導(dǎo)出為DXF文件格式。便攜式移動(dòng)三維激光掃描儀采用LA精準(zhǔn)定位技術(shù),與重型或背負(fù)式移動(dòng)掃描儀相比,具有體積小、重量輕、便攜等優(yōu)點(diǎn)。在空間測(cè)量中進(jìn)行應(yīng)用研究,對(duì)地下停車場(chǎng)進(jìn)行檢查,獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),制作切片提取地下豐闊平面云數(shù)據(jù),在AD中制作總平面圖,并驗(yàn)證其精度符合規(guī)格。大量的井下測(cè)量實(shí)踐結(jié)果表明,儀器獲得的云數(shù)據(jù)精度能夠滿足礦區(qū)地下空間測(cè)量圖制作的要求。
同時(shí)對(duì)多條路徑進(jìn)行最短路徑算法。在礦場(chǎng)掃描三個(gè)測(cè)量參考點(diǎn)(用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)后,以人的正常行走速度掃描路徑,即可采集數(shù)據(jù)。獲取信息后,通過手機(jī)軟件對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、降噪、封裝,將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為云數(shù)據(jù)。填充體積和空隙體積可以在 三維 軟件中計(jì)算。
采用英國 GEOSLAM手持式ZEB-REVO三維激光掃描儀,可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、實(shí)時(shí)、高精度的測(cè)量,高品質(zhì)的三維點(diǎn)云資料,以激光掃描器為主,三個(gè)部件,包括主機(jī)和電池。掃描頭重1千克,30米的距離,270度x360度的掃描。利用激光測(cè)距原理,測(cè)量了掃描目標(biāo)與掃描目標(biāo)的距離,同時(shí)測(cè)量了掃描目標(biāo)的側(cè)向掃描角 b和方向的掃描角o,利用 SLAM算法實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的相關(guān)匹配。
移動(dòng)手持式掃描器的優(yōu)點(diǎn)是:工作效率高,人力資源少,常規(guī)的采掘方式,每個(gè)礦井都有一個(gè)站點(diǎn),采用支距法和全站儀碎步測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)向,每一條采掘通道3個(gè)人30分鐘,一臺(tái)手持式掃描儀啟動(dòng)后1人以正常的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,只需5分鐘。全站儀的測(cè)量是單一的,在有限的點(diǎn)集中,建立的模型精度較低;體積不夠精確,而點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大的掃描數(shù)據(jù)則能產(chǎn)生更高的精度和更精確的體積。
移動(dòng)手持式三維激光掃描儀可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),其使用方便靈活,獲取的空間數(shù)據(jù)更加精確,適合于井下巷道、空區(qū)等具有顯著特點(diǎn)的區(qū)域測(cè)量,可以極大的提高工作效率,節(jié)約人力。但是,在直伸形巷道中,由于特征點(diǎn)不明顯,其掃描精度存在較大的誤差,使其精度難以達(dá)到要求。
三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪工程中一項(xiàng)高精度、高效率的新技術(shù),廣泛應(yīng)用于井下測(cè)量工程、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等行業(yè)。便攜式三維激光掃描儀是一種三維激光掃描儀。其便攜性和高精度使其在井下開采過程中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但在整個(gè)使用過程中,具體獲取的掃描數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性通常會(huì)受到儀器本身、整體掃描目標(biāo)和外部條件的影響。通過井下實(shí)踐,對(duì)便攜式三維激光掃描儀的偏差源進(jìn)行了分類,并對(duì)每個(gè)偏差源進(jìn)行了分析。比如,以EXASC門便攜式三維激光掃描儀為例,設(shè)計(jì)了相關(guān)的測(cè)試方案并對(duì)其精度進(jìn)行了測(cè)試、檢測(cè)和分析。
掃描精度使用環(huán)境對(duì)所有掃描區(qū)域的井下空間部分進(jìn)行識(shí)別,掃描時(shí)根據(jù)建筑物的鏡柱獲得全站儀的參考點(diǎn)。對(duì)比兩組數(shù)據(jù),較大定位點(diǎn)間距離為±0.08m,滿足制造要求。 ZEBHORIZON手持移動(dòng)三維激光掃描儀是法國GeoSLAM系列掃描儀的新成員。體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,凈重僅1.3kg,測(cè)量范圍100m,它適用于室內(nèi)和室外條件。在三維掃描工作中,憑借其強(qiáng)大的SLAM技術(shù),機(jī)器的相對(duì)精度可以達(dá)到3C水準(zhǔn)。由于手持掃描儀輕巧、小巧,在測(cè)繪項(xiàng)目的辦公環(huán)境中可以自由行走,即使在狹窄崎嶇的自然環(huán)境中也能輕松工作。100m的測(cè)量范圍可以滿足大部分測(cè)繪項(xiàng)目的要求。高視場(chǎng)可以輕松獲取大量數(shù)據(jù)信息,精致、方便、快捷的外觀設(shè)計(jì),使其可以手持工作,也可以搭載在無人機(jī)、單肩包、活動(dòng)裝置上,或通過機(jī)械裝置進(jìn)行加裝或倒裝,從而基于相同的規(guī)則實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量自然環(huán)境不便。
橫坐標(biāo)為規(guī)格,縱軸為點(diǎn)云大小,激光測(cè)距規(guī)格較弱,24個(gè)認(rèn)證規(guī)格中,最小為0.632m,較弱者為2.5cm,較大者為43.105m。弱點(diǎn)是4.2cm。從實(shí)踐中可以看出,手持移動(dòng)三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云規(guī)格和紅外測(cè)距儀的檢測(cè)規(guī)格都在5cm以內(nèi),并且隨著測(cè)量距離的變化,較弱的不擴(kuò)大也不縮小發(fā)展趨勢(shì)。從實(shí)測(cè)27.014m~13.105m來看,較弱者基本位于3cm~5cm中間?;诓蓸拥臉颖荆?jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差并分析結(jié)果。使用手持移動(dòng)式三維激光掃描儀進(jìn)行礦區(qū)地下空間勘測(cè),采集的數(shù)據(jù)信息無偏差,整體性,相對(duì)精度可達(dá)3cm,一定規(guī)格精度可調(diào)整至5cm,得到的點(diǎn)云可達(dá)1:500工程項(xiàng)目圖零件精度要求。
手持式三維掃描儀器可以提高工作能力,節(jié)省人員投資,傳統(tǒng)測(cè)量,每條采礦路徑設(shè)置一個(gè)測(cè)站,采用支撐距離法或全站臺(tái)步測(cè)法測(cè)量迎頭機(jī)動(dòng),測(cè)量一條采礦路徑3人耗時(shí)30min,手持掃描儀開機(jī)后,一個(gè)人以所有正常速度走來走去采集數(shù)據(jù),只用時(shí)5min。ZEB-HORIZON手持式三維激光掃描儀用于礦山低層室內(nèi)空間勘測(cè)新項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用檢測(cè)。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)融合全站儀法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度大、效率低。手持掃描儀不受外界條件影響,工作效率顯著提高。對(duì)某寫字樓的礦區(qū)地下空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用GNSS接收機(jī)將參考點(diǎn)放置在空曠區(qū)域,然后根據(jù)全站儀進(jìn)行先導(dǎo)測(cè)量,短時(shí)間之內(nèi),只有測(cè)繪項(xiàng)目的工作量才能進(jìn)行測(cè)量,手持式三維激光掃描儀,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間約半小時(shí),原始記錄量約幾G,將生成的三維點(diǎn)云切片。
傳統(tǒng)的井下、巷道全站儀測(cè)量是點(diǎn)陣數(shù)據(jù)信息,相對(duì)有限的點(diǎn)生成模型精度差,體積不準(zhǔn)確,而掃描儀生成大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息,精度高,體積更準(zhǔn)確。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及其在測(cè)繪工程領(lǐng)域的應(yīng)用,越來越多的測(cè)繪項(xiàng)目必須使用三維激光掃描技術(shù)來采集和求解數(shù)據(jù)。根據(jù)工作模式和介質(zhì)的不同,三維激光掃描儀分為路架式三維激光掃描儀、背包式三維激光掃描儀、便攜式移動(dòng)式三維激光掃描儀及其L波段三維激光掃描儀。其中,便攜式移動(dòng)三維激光掃描儀體積最小,凈重最輕,比其他掃描儀更便攜。它只需要一個(gè)人拿著它來收集數(shù)據(jù)。它對(duì)自然環(huán)境的要求不高,可以達(dá)到可測(cè)量的。配合后期圖像處理軟件,可以輕松轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云,無需進(jìn)行復(fù)雜的點(diǎn)云拼湊工作。在測(cè)繪項(xiàng)目中使用它,將進(jìn)一步提高野外工作的效率,提供更多的豐富性,結(jié)果顯示方式和二次應(yīng)用。
實(shí)體模型的重建主要是利用井下測(cè)量工程軟件Geomagic對(duì)掃描到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法和svm算法,重建出準(zhǔn)確的實(shí)體模型。Geomagic手機(jī)軟件具有強(qiáng)大的反模型功能。遵循點(diǎn)鏈接和不規(guī)則圖形鏈接的工作流程,可以很容易地從點(diǎn)云構(gòu)建最終的不規(guī)則圖形實(shí)體模型和樣條四邊形網(wǎng)格。映射,并將其轉(zhuǎn)換為NURBS坡度,該模型是高效的。Artec Studio掃描手機(jī)軟件在拼接掃描的數(shù)據(jù)信息時(shí)已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)預(yù)處理,并轉(zhuǎn)化為三角形網(wǎng)格圖的實(shí)體模型。在科學(xué)研究中,利用Geomagic手機(jī)軟件的關(guān)鍵模型對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行擬合、診斷和修復(fù),并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行裁剪和改進(jìn)。及其外觀等,以重構(gòu)數(shù)據(jù)信息。100m的測(cè)量范圍,在礦區(qū)地下空間的自然環(huán)境中,您可以邊走邊高效采集地下空間布局的空間數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云切片并導(dǎo)入CAD后,即可進(jìn)行礦區(qū)地下空間制作所需的勘測(cè)制作工作。
同時(shí)定位與建圖(SLAM)技術(shù)是移動(dòng)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),也是近年來網(wǎng)絡(luò)科研的熱點(diǎn)。SLAM可以描述為:基于位置測(cè)繪工程環(huán)境的移動(dòng)掃描系統(tǒng)軟件。傳感器獲得的信息識(shí)別出它的位置,同時(shí)逐漸構(gòu)建出體積不斷增加的周圍環(huán)境的地形圖。SLAM優(yōu)化算法利用傳感器獲得的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行標(biāo)定和配對(duì)。傳感器范圍越大,視場(chǎng)越寬,獲得和參與標(biāo)定的數(shù)據(jù)信息越多,配對(duì)偏差就越小。SLAM優(yōu)化算法大致可分為兩類:基于濾波器的方法和基于圖的方法基于濾波器的優(yōu)化算法僅使用當(dāng)前光電傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)樗鼪]有考慮上一次的測(cè)量數(shù)據(jù)信息,在精確定位和地形圖構(gòu)建層面。根據(jù)圖提升的方法,采用全局提升配對(duì)方式,標(biāo)定采用從原始時(shí)間到當(dāng)前時(shí)間的所有測(cè)量數(shù)據(jù)信息,狀態(tài)不斷被新信息標(biāo)定,實(shí)際效果更強(qiáng).基于圖提升的SLAM優(yōu)化算法主要涉及前端和后端兩部分。前面部分負(fù)責(zé)合成方法,計(jì)算室內(nèi)空間管束的關(guān)系。創(chuàng)建室內(nèi)空間管束的關(guān)鍵是這兩種方法,一種是基于附近的傳感器。另一種是基于閉環(huán)控制測(cè)試創(chuàng)建的,即傳感器在整個(gè)行駛過程中一直返回到之前的地方生成一個(gè)閉環(huán),然后生成室內(nèi)空間管理束關(guān)聯(lián)。后者負(fù)責(zé)改進(jìn),優(yōu)化的基礎(chǔ)是前面生成的室內(nèi)空間束之間的關(guān)系。在移動(dòng)掃描系統(tǒng)軟件的整個(gè)過程中,前臺(tái)不斷創(chuàng)建新的室內(nèi)空間管理協(xié)會(huì),后者根據(jù)這個(gè)室內(nèi)空間管理協(xié)會(huì)不斷完善,優(yōu)化結(jié)果交給前臺(tái)攜帶出新的計(jì)算,前后端繼續(xù)進(jìn)行。移動(dòng)掃描系統(tǒng)的相互實(shí)際操作促進(jìn)了移動(dòng)掃描系統(tǒng)軟件現(xiàn)狀和組成方式的不斷升級(jí)。
綜上所述,三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景拍攝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式,具有高效、高精度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速,日趨完善,在這個(gè)階段,三維掃描機(jī)器和設(shè)備正在逐步效率化。手持式三維激光掃描儀通過發(fā)射激光對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描,獲得被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo),其巨大的優(yōu)勢(shì)取決于快速掃描被測(cè)物體的能力。掃描可以立即獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息,無需反射面棱鏡。這樣,可以有效地進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界的三維建模和虛擬表示,移動(dòng)手持式三維激光掃描儀可以快速獲取室內(nèi)空間點(diǎn)的云數(shù)據(jù)信息。調(diào)用對(duì)齊式掃描儀更加方便靈活,得到的空間數(shù)據(jù)庫更加準(zhǔn)確。在測(cè)繪工作中,可以大大提高測(cè)繪工程的工作效率,節(jié)省人員人力資源,但對(duì)于特征點(diǎn)不顯著的直伸斜井,掃描精度有一定誤差,需要進(jìn)一步研究和改善。