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三维激光扫描技术在矿井联系测量投点中的 应用研究
2019-11-04
矿井联系测量是保证地下工程施工过程中井上、井下坐标统一的一个重要环节。为简化矿井联系测 量中垂线摆动投点观测方法,采用三维激光扫描技术结合自行设计用于垂线投点的三维激光球形靶标,进行了矿 井联系测量的垂线投点试验。应用全站扫描仪验证了三维激光球形靶标球心坐标提取值与棱镜测量值的点位误 差为±1.6 mm,能够基本满足矿井联系测量的精度要求。应用三维激光扫描技术开展了垂线投点试验,垂线长度 从 3.44 m 到 13.03 m 的变化过程中,球形靶标的投点误差保持在 1.5 mm 以内,能够满足地下工程测量的基本需求。 研究结果为三维激光扫描技术在矿井联系测量中的应用提供了新的思路,为矿井建设及...
Series No. 520 October 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 520 期 2019 年第 10 期 三维激光扫描技术在矿井联系测量投点中的 应用研究 廉旭刚1 刘吉波2 凯1 胡海峰1 薛晓宇1 张琰君11 张 1. 太原理工大学矿业工程学院,山西 太原 030024;2. 贵州工程应用技术学院,贵州 毕节 551700) ( 摘 要 矿井联系测量是保证地下工程施工过程中井上、井下坐标统一的一个重要环节。为简化矿井联系测 量中垂线摆动投点观测方法,采用三维激光扫描技术结合自行设计用于垂线投点的三维激光球形靶标,进行了矿 井联系测量的垂线投点试验。应用全站扫描仪验证了三维激光球形靶标球心坐标提取值与棱镜测量值的点位误 差为±1.6 mm,能够基本满足矿井联系测量的精度要求。应用三维激光扫描技术开展了垂线投点试验,垂线长度 从 3.44 m 到 13.03 m 的变化过程中,球形靶标的投点误差保持在 1.5 mm 以内,能够满足地下工程测量的基本需求。 研究结果为三维激光扫描技术在矿井联系测量中的应用提供了新的思路,为矿井建设及城市地下空间工程井上、 井下联系测量提供了新的途径。 关键词 矿井联系测量 三维激光扫描 投点 球形靶标 中图分类号 TD175 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-10-183-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201910029 Application Research on 3D Laser Scanning Technology in Plumbing of Shaft Connection Survey Li(an Xugang Liu Jibo Zhang Kai1 Hu Haifeng1 Xue Xiaoyu1 Zhang Yanjun12 1 2 1. School of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2 . Guizhou University of Engineering Science,Bijie 551700,China) Abstract Shaft connection survey is an important link to ensure the unity of ground and underground coordinates in the process of underground engineering construction.In order to simplify the observation method of vertical swinging plumbing point in mine contact measurement,the 3D laser scanning vertical line plumbing point test of shaft contact measurement is car⁃ ried out by using three-dimensional laser scanning technology,combining with the three-dimensional laser spherical target for vertical line plumbing point designed by ourselves.The total-station scanner is used to verify the accuracy of 3D laser spherical target coordinate extraction and the point position error of traditional prism is ±1.6 mm,which can basically meet the needs of mine connection survey.The experiment of 3D laser scanning vertical plumbing point is carried out,and the length of vertical line varies from 3.44 m to 13.03 m.In this test environment,the plumbing point error of spherical target is within 1.5 mm, which can meet the basic needs of underground engineering.The research results provide a new idea for the application of three-dimensional laser scanning technology in shaft connection survey,and provide a new way for mine construction and con⁃ nection survey of urban underground engineering. Keywords Shaft connection survey,Three-dimensional laser scanning,Plumbing point,Spherical target 矿井联系测量是矿井建设及生产过程中不可缺 少的部分,主要任务是确定井下导线起算边的方位 角、起算点的平面坐标及高程基准,从而达到统一井 上、井下坐标系统的目的,包括平面联系测量(定向) 和高程联系测量(导入高程)。矿井定向作为其中的 主要内容,分为几何定向(平硐或斜井、一井定向、两 井定向)和物理定向(精密磁性仪器、投向仪、陀螺经 纬仪)。我国大部分煤矿为井工开采,立井几何定向 为主要定向方法,投点作为立井定向的重要环节,对 于整个矿井定向精度控制具有重要作用。 基收金稿项日期目 国201家9-自0然8-科24学基金项目(编号:51704205,51574132),山西省自然科学基金项目(编号:201701D221025),毕节市科技支撑计划项目(编 号:毕科合字[2017]10号)。 作者简介 廉旭刚(1984—),男,副教授,博士,硕士研究生导师。 · 183 · 总第520期 金 属 矿 山 2019年第10期 [1-4] [5-7] 近年来,矿井联系测量在煤矿 、金属矿 及地 [ 8-12] 铁施工 等地下工程中得到了广泛应用。光电测距 和激光投点技术被逐步应用在矿井联系测量中。徐 [ 13] 乃忠等 将光电测深和激光投点技术应用于矿井联 系测量中,并与传统方法进行了对比,其精度满足要 [ 14] 求;程栋 采用激光投点仪进行了地铁平面联系测 [ 15] 量,满足了工程要求;王渤琛 结合脉冲-相位式激 光测距技术和空间交会技术,设计了一种新型立井 [ 16] 投点系统和投点方法;张平 分析了利用全站仪激 光对中器进行竖井联系测量投点的方法及精度,并 讨论了实际工程应用中的注意事项。尽管先进的测 绘技术具有一定的优势,并在矿井联系测量中得到 了一定程度的应用,但钢丝垂球线法仍然是普遍采 用的投点方法,稳定投点法和摆动投点法则是一般 [ 17-21] 采用的投点方法 。当钢丝摆动超过0.4 mm时,可 [17] 通过钢丝摆动观测确定稳定位置。孙邵先 对竖井 定向的摆动投点公式进行了研究,并确定了简洁合 接圆孔的部分为直径 2 mm 的半圆形小孔,位于空心 铁半球边缘,相对于球心对称的位置也有一个相同 的半圆形小孔。另一空心铁半球也做相同处理,操 作时两个半圆形小孔可对接为圆形小孔,两个圆形 小孔关于球心对称。图1(b)为强力磁铁的部分为边 长10 mm的正方体强力磁铁,均匀分布于空心铁半球 的内侧边沿处,每个半球中附有 6 块强力磁铁,用金 属胶固定。两个半球中各自的 6 块磁铁都可对应相 吸。 [18] 理的计算公式;迟鹏展 分析了立井井筒单重摆动 投点坐标传递的优点及精度,井下定向水平采用单 重摆动投点和标尺相结合的观测方法,确定钢丝竖 直投影点并予以固定,能有效提高测角、量边精度; [ 19] 焦振凡 研究了用全站仪逆转点法进行坐标传递的 原理及测量程序。为减小垂球摆动引起的误差,金 [ 20] 严 分析了立井垂球线投点的几何定向误差,讨论 了垂球线的投点误差和投向误差,给出了垂球线投 [ 21] 点的几何定向误差控制措施。曾祥雄等 给出了提 高超千米立井测量投点精度的措施,即:加大垂球质 量到 240 kg,使垂球线保持较稳定的状态,并将垂球 放入加水的大水桶中,水中掺锯末来减小垂球线摆 幅。针对摆动投点观测法在井下实施困难的问题, 本研究采用三维激光扫描技术,利用钢丝及特制球 形靶标球,确定摆动过程中井下钢丝投点的平面坐 标,简化摆动投点的观测流程。 1 . 2 三维激光球形靶标球心坐标提取精度验证 为验证三维激光扫描球形靶标的球心坐标点云 提取精度,采用全站扫描仪进行验证。如图 2 所示, 在同一点分别架设棱镜与球形靶标,进行了 10 次独 立观测,得到如表1所示的棱镜与三维激光扫描球形 靶标的坐标数据。每次观测时,全站扫描仪需重新 整平仪器和定向,设站坐标固定为(10,10)。 1 三维激光球形靶标设计及精度验证 . 1 矿井联系测量的三维激光球形靶标 1 传统矿井联系测量方法中,最常用的是全站仪- 钢丝法。由于钢丝过细,扫描仪无法准确地扫描到 钢丝上的目标点,而标靶球只能在地面或三脚架上 使用。对此,本研究通过设计一种矿井联系测量三 维激光扫描仪专用激光反射装置,将球形靶标能够 通过两个半球相吸后,固定在钢丝的任意位置,从而 将三维激光扫描技术应用于矿井联系测量。 图 1(a)为漫反射涂层球体,由两个完全相同的 空心铁半球构成,外径为 15 cm,厚度为 1.2 mm。表 面均匀涂有漫反射漆以增加激光反射率。其中,连 · 184 · 廉旭刚等:三维激光扫描技术在矿井联系测量投点中的应用研究 2019年第10期 注:X为北坐标;Y为东坐标;D 1 为棱镜与观测目标的距离;D 2 为球形靶标与观测目标的距离;ΔX为北坐标之差;ΔY为东坐标之差。 棱镜与三维激光球形靶标之间在北坐标、东坐 标的中误差及点位中误差可进行如下计算: n ì ΔXi2 ï ∑ ï ï i = 1 mΔX = ± ï ï n - 1 ï í ï n , 2 ΔY ∑ i i = 1 ï ïmΔY = ± n - 1 ï ï ï 2 2 m = ± m + mΔY î 点位 ΔX 式中,n 为观测次数,本研究取 10。将表 1 数据代入 上 式 ,计 算 得 :mΔX = ± 1.3 mm,mΔY = ± 0.9 mm, m = ±1.6 mm。 点位 按照《煤矿测量规程》,当井深为 300~600 m 时, 投点误差不宜超过 1.5~2 mm,在不考虑投点系统误 差的情况下,三维激光扫描测量基本能够满足投点 精度要求。 2 三维激光球形靶标投点试验 . 1 试验设计及数据获取 2 为进一步分析三维激光球形靶标在矿井联系测 量投点中的应用效果,如图 3 所示,在不同的楼层进 行了垂线投点试验,分别设置上部球形靶标和下部 球形靶标,假设上部靶标不产生摆动,通过试验观测 并计算下部靶标的球心;垂线采用 ϕ 3 mm 的软质电 线;为减少气流影响,将约10 kg的水桶悬挂于垂线末 端。摆动稳定后,扫描仪对上下两个靶标先后进行 扫描,并将绳子固定在图 3 所示的 2、3、4 楼,通过改 变垂线高度进行试验。 点云可经过拟合为标准球体,且实体模型与点云之 间误差较小,可通过提取球体的球心作为上部靶标 球心;下部靶标受到气流等因素的影响,无法通过直 接拟合为球体进而提取球心坐标。根据下部球形靶 标的点云特征,分别选取摆动点云模型的两端极限 部分拟合为球体,并求得两个极限球体的球心坐标, 提取的数据见表2。 试验过程中通过假定坐标系,采集2~4楼的上下 两个靶标的点云数据,图4为点云去噪后某一楼层上 下球形靶标的点云数据。 2 . 2 数据处理及球形靶标球心提取 由表2可知:试验过程中外界气流对垂线摆幅的 对球形靶标点云数据进行分析可知:上部靶标 · 185 · 总第520期 金 属 矿 山 2019年第10期 生摆动幅度。通过计算,各楼层在X与Y方向误差为 4 楼 ΔX =0.5 mm、ΔY =1.5 mm,3 楼 ΔX =0.5 mm、 ΔY =1 mm,2楼 ΔX = ΔY = 0 。 以4楼上部球形靶标为例,图5(a)通过点云处理 软件对球形靶标的点云进行球体拟合建模,并提取 其球心坐标,图 5(b)为拟合球体的误差分布,45.8% 点云与球形靶标的位置误差在±0.52 mm以内,其余 点云拟合误差最大为 4.03 mm,仅占所测点云总数的 0 .543%,反映出点云拟合精度对于靶标球心坐标提 影响较大,尤其在 3 楼进行试验时,具有较大的摆动 幅度,2楼垂线长度较小,且外界影响小,因而没有产 取具有一定的保障。 Coal Engineering,2018,50(1):48-51. 3 结 论 [ 2] 高兴江.李雅庄煤矿联系测量施工总结与经验探讨[J].煤矿现 (1)为将三维激光扫描仪应用于矿井联系测量, 代化,2017(5):151-153. 设计了一种新型球形靶标,能够通过两个半球体相 吸的装置,快速安装在垂线上,以便获取垂线的平面 投影位置。采用全站扫描仪验证了三维激光球形靶 标球心坐标提取值与棱镜测量结果的差异,经过 10 次独立试验,得到了±1.6 mm的点位提取精度。 Gao Xingjiang.The measurement practice and experience discus⁃ sion of Liyazhuang Coal Mine[J].Coal Mine Modernization,2017 (5):151-153. [3] 王 健,杨久东,宋利杰.吊锤线摆动对竖井联系测量精度的影 响及对策[J].中国煤炭,2016,42(9):20-24. Wang Jian,Yang Jiudong,Song Lijie.Impact of vertical line swing on precision of connection surveying in shaft and its countermeasure (2)进行了不同垂线高度情况下三维激光球形 靶标用于矿井联系测量的投点试验,讨论了垂线顶 部球形靶标点云的稳定状态及底部靶标的摆动点云 模型,通过建立底部靶标模型的两个摆动极限球体 模型,确定了摆动幅度及底部靶标的球心坐标,最终 得到投点误差。 [ J].China Coal,2016,42(9):20-24. [ 4] 王云岗.望云煤矿下组煤延深工程回风立井联系测量技术研究 [ J].经纬天地,2015(6):78-83. Wang Yungang.Research on contact measurement technology of re⁃ turning wind shaft in the lower coal seam deepening project of Wangyun Coal Mine[J].Survey World,2015(6):78-83. (3)将三维激光扫描技术应用于矿井联系测量 [ 5] 冯卫军,高俊龙,刘平原,等.联系三角形法在图古日格金矿的应 的投点环节中,虽然在精度方面有待提高,但作为一 种新的投点方法,为矿井、地铁、隧道等地下工程联 系测量提供了新的思路。 用[J].西部探矿工程,2017,29(4):137-138. Feng Weijun,Gao Junlong,Liu Pingyuan,et al.Application of con⁃ tact triangle method in Tuguig Gold Mine[J].West-China Explora⁃ tion Engineering,2017,29(4):137-138. 参 考 文 献 [6] 马福贵,然见多杰,逯登丽.竖井联系测量在青海大柴旦行委双 口山多金属矿中的应用[J].现代矿业,2016(5):149-150. 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