移动式手持三维扫描仪在井下测量中的应用分析

闫伟男，赵洪利，宋林澎

近年来，三维数据采集、测量和成型技术逐渐得到广泛应用，其应用范围也从工业产品设计发展到不同领域。通过三维扫描仪井下开采整体规划和制作步骤，最终确定井下测量的数值。井下测量工程不仅是基于一些基础数据，还通过对不同井下空间测量的开采数据库，然后进行其他后续处理和分析，所以其工作流程根据对数据资料的处理可分为数据采集、数据处理方法、数据信息重构和数据信息导出。

1 传统测量方法

传统的测量路径和空白区域使用全站仪测量法和距离法进行测绘工程。在采集过程中，对齐频率大，需要很多工作人员。采集效率低，数据信息为point-shot数据信息，不能全面表示空间数据，这就对井下数据和开采测量等带来了一定的问题，不能达到精准测量的目的。

2 移动手持式三维扫描仪测量

2.1 SLAM技术详细介绍

SLAM（Simultaneous localization and mapping）同步精确定位和地形图构建技术最早是由RCSmith和P. Cheeseman科学研究明确提出的。技巧处理是从未知自然环境的井下和巷道空间未知地址考虑的。1986年，室内空间的可变性是在动态测量的整个过程中，利用反复观察到的地形图特征（墙脚、柱头等）来准确定位自身的位置和状态，进而增加地形量根据自己的位置建图，从而在建图的同时准确定位三维扫描仪的水中数值，该技术的基本原理主要应用的是SLAM技术的相关应用。

2.2 仪器设备

选用法国GEOSLAM手持便携式ZEB-REVO三维激光扫描仪，仪器配备LAM系统软件，适用于移动即时快速测量，获取高精度、高质量的三维点云数据。关键是激光扫描头、服务器、充电电池三部分组成。扫描头净重1kg，测量距离30m，扫描范围：270°×360°。

手持三维扫描仪是一种用于探测和分析真实世界中物体或周围环境的外形（几何）和外部数据（例如色彩）的科学仪器；如表面反射率等。收集的资料经常用于三维重构，并在虚拟世界中建立真实对象的数码模型。这些型号适用于各种工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导航、地形测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物、电影制作、游戏素材等。

3D扫描设备的制造并不依赖于一项技术，各种技术都有其优点和不足，价格也存在差异。目前还没有一种统一的、通用的重构技术，其测量工具和方法常常受到对象的表面特征的限制。例如，光学技术在处理闪光（高反射率）、镜面或半透明表面方面是困难的，而对于易磨损或易磨损的表面，则不能采用激光技术。3D扫描器被用于在物体的几何表面上生成点云，点云密度越大，模型就越准确（此过程称为3D重构）。当扫描设备可以获得物体的色彩时，可以将材料贴到重构的物体上，这就是材料的印刷。

便携式三维扫描仪的移动工作平台包括2个万向脚轮（1）、2个三角轴（2）、底座（3）、钥匙杆（4）、工作平台、槽（5）、固定板（12）和电缆滑轮（13），其中两个万向脚轮（1）分别固定在底座（3）底端的两个角上，底座（3）的后侧固定在键立柱（4），两个三角轴（2）分别固定在键立柱（4）的底端，工作平台安装在键立柱（4）上，塞子的凹槽（5）固定在底座（3）的正面，将电缆滑轮（13）的芯子按圆柱驱动的方法安装在键杆（4）的固定板（12）上轴。该装置解决了便携式三维扫描仪在工作全过程中必须实时移动的技术问题，结构简单，实际操作方便。

2.3 三维扫描原理

矿山采矿测量技术为矿山技术和作业提供依据，具体指导采矿和制造中各种项目的准确性，维护和监督自然资源的有效开发和设计，对工程建设、制造和技术承担双向责任管理方法。采矿的全过程，所以测量的材料必须详细、真实、可靠，这样才能在采矿和制造中起到保证作用。近年来，随着科学合理技术的飞速发展，矿山测量技术也是一项技术创新。本文的重点是结合手持式三维激光扫描仪的实际应用，阐述三维激光扫描仪及其配套设施在矿山中的应用。采矿和制造工程项目的主要功能。三维扫描技术可用于深入复杂的自然环境和现场扫描，即时采集各种大中型、复杂不规则实线的三维详细数据，然后快速重建扫描出来的三维目的模型。

根据井下测量工程技术的引入和应用，整合和改进智能维护的各种需求，提供各种改进数据模型的统计方法，为更精准的科学研究提供依据。本次科研使用Artec（MHT）便携式扫描仪采集大、中、小型三维目标的数据，利用Geomagic建模软件完成数据的求解和实体模型的重建，从而获得准确的数据信息和三维实体模型。研究通过参考井下测量工程的方法，展示了如何在具有复杂表面层和更多凸凹构件的预制构件中准确地进行三维数据采集、数据处理方法、实体模型重建和三维模型形成和打印。具有良好的实用效果和科研价值。根据激光测距的基本原理，得到仪器核心与扫描物体的距离，同时测量扫描物体返回的水平扫描角度值和垂直扫描角度值0，根据SLAM优化算法进行空间数据库的相关配对。

2.4 三维扫描测量执行过程

第一，规划数据采集线路，重置并逐步获取云数据，应用数据加载功能在线下载点云数据。

第二，依靠GeoSLAM手机软件进行数据预处理。

第三，使用Reconstructor软件进行数据打补丁、降噪、坐标变换导出数据。

第四，使用三维Reshaper软件生成模型，将封装好的实体模型导出为DXF文件格式。便携式移动三维激光扫描仪采用LA精准定位技术，与重型或背负式移动扫描仪相比，具有体积小、重量轻、便携等优点。在空间测量中进行应用研究，对地下停车场进行检查，获取三维激光点云数据，制作切片提取地下丰阔平面云数据，在AD中制作总平面图，并验证其精度符合规格。大量的井下测量实践结果表明，仪器获得的云数据精度能够满足矿区地下空间测量图制作的要求。

3 三维扫描测量实施结果

同时对多条路径进行最短路径算法。在矿场扫描三个测量参考点（用于坐标转换）后，以人的正常行走速度扫描路径，即可采集数据。获取信息后，通过手机软件对云数据进行提取、降噪、封装，将实体模型转化为云数据。填充体积和空隙体积可以在 三维 软件中计算。

采用英国 GEOSLAM手持式ZEB-REVO三维激光扫描仪，可实现移动、实时、高精度的测量，高品质的三维点云资料，以激光扫描器为主，三个部件，包括主机和电池。扫描头重1千克，30米的距离，270度x360度的扫描。利用激光测距原理，测量了扫描目标与扫描目标的距离，同时测量了扫描目标的侧向扫描角 b和方向的扫描角o，利用 SLAM算法实现了空间数据的相关匹配。

移动手持式扫描器的优点是：工作效率高，人力资源少，常规的采掘方式，每个矿井都有一个站点，采用支距法和全站仪碎步测量方法进行测向，每一条采掘通道3个人30分钟，一台手持式扫描仪启动后1人以正常的速度进行数据采集，只需5分钟。全站仪的测量是单一的，在有限的点集中，建立的模型精度较低；体积不够精确，而点云数据庞大的扫描数据则能产生更高的精度和更精确的体积。

移动手持式三维激光扫描仪可以在很短的时间内获取点云数据，其使用方便灵活，获取的空间数据更加精确，适合于井下巷道、空区等具有显著特点的区域测量，可以极大的提高工作效率，节约人力。但是，在直伸形巷道中，由于特征点不明显，其扫描精度存在较大的误差，使其精度难以达到要求。

三维激光扫描技术是测绘工程中一项高精度、高效率的新技术，广泛应用于井下测量工程、三维可视化、虚拟现实技术等行业。便携式三维激光扫描仪是一种三维激光扫描仪。其便携性和高精度使其在井下开采过程中具有得天独厚的优势。但在整个使用过程中，具体获取的扫描数据信息的准确性通常会受到仪器本身、整体扫描目标和外部条件的影响。通过井下实践，对便携式三维激光扫描仪的偏差源进行了分类，并对每个偏差源进行了分析。比如，以EXASC门便携式三维激光扫描仪为例，设计了相关的测试方案并对其精度进行了测试、检测和分析。

4 三维扫描测量精度识别

扫描精度使用环境对所有扫描区域的井下空间部分进行识别，扫描时根据建筑物的镜柱获得全站仪的参考点。对比两组数据，较大定位点间距离为±0.08m，满足制造要求。 ZEBHORIZON手持移动三维激光扫描仪是法国GeoSLAM系列扫描仪的新成员。体积小，结构紧凑，净重仅1.3kg，测量范围100m，它适用于室内和室外条件。在三维扫描工作中，凭借其强大的SLAM技术，机器的相对精度可以达到3C水准。由于手持扫描仪轻巧、小巧，在测绘项目的办公环境中可以自由行走，即使在狭窄崎岖的自然环境中也能轻松工作。100m的测量范围可以满足大部分测绘项目的要求。高视场可以轻松获取大量数据信息，精致、方便、快捷的外观设计，使其可以手持工作，也可以搭载在无人机、单肩包、活动装置上，或通过机械装置进行加装或倒装，从而基于相同的规则实现现场测量自然环境不便。

横坐标为规格，纵轴为点云大小，激光测距规格较弱，24个认证规格中，最小为0.632m，较弱者为2.5cm，较大者为43.105m。弱点是4.2cm。从实践中可以看出，手持移动三维激光扫描仪得到的点云规格和红外测距仪的检测规格都在5cm以内，并且随着测量距离的变化，较弱的不扩大也不缩小发展趋势。从实测27.014m～13.105m来看，较弱者基本位于3cm～5cm中间。基于采样的样本，计算标准偏差并分析结果。使用手持移动式三维激光扫描仪进行矿区地下空间勘测，采集的数据信息无偏差，整体性，相对精度可达3cm，一定规格精度可调整至5cm，得到的点云可达1：500工程项目图零件精度要求。

5 移动手持扫描仪的优势和应用

5.1 提升工作能力

手持式三维扫描仪器可以提高工作能力，节省人员投资，传统测量，每条采矿路径设置一个测站，采用支撑距离法或全站台步测法测量迎头机动，测量一条采矿路径3人耗时30min，手持扫描仪开机后，一个人以所有正常速度走来走去采集数据，只用时5min。ZEB-HORIZON手持式三维激光扫描仪用于矿山低层室内空间勘测新项目中进行应用检测。传统的测量技术融合全站仪法进行现场测量难度大、效率低。手持扫描仪不受外界条件影响，工作效率显著提高。对某写字楼的矿区地下空间进行数据采集。使用GNSS接收机将参考点放置在空旷区域，然后根据全站仪进行先导测量，短时间之内，只有测绘项目的工作量才能进行测量，手持式三维激光扫描仪，现场测量时间约半小时，原始记录量约几G，将生成的三维点云切片。

5.2 提升测量精度

传统的井下、巷道全站仪测量是点阵数据信息，相对有限的点生成模型精度差，体积不准确，而扫描仪生成大量点云数据信息，精度高，体积更准确。随着三维激光扫描技术的发展及其在测绘工程领域的应用，越来越多的测绘项目必须使用三维激光扫描技术来采集和求解数据。根据工作模式和介质的不同，三维激光扫描仪分为路架式三维激光扫描仪、背包式三维激光扫描仪、便携式移动式三维激光扫描仪及其L波段三维激光扫描仪。其中，便携式移动三维激光扫描仪体积最小，净重最轻，比其他扫描仪更便携。它只需要一个人拿着它来收集数据。它对自然环境的要求不高，可以达到可测量的。配合后期图像处理软件，可以轻松转换成点云，无需进行复杂的点云拼凑工作。在测绘项目中使用它，将进一步提高野外工作的效率，提供更多的丰富性，结果显示方式和二次应用。

5.3 三维数据信息重构

实体模型的重建主要是利用井下测量工程软件Geomagic对扫描到的数据信息进行数据处理方法和svm算法，重建出准确的实体模型。Geomagic手机软件具有强大的反模型功能。遵循点链接和不规则图形链接的工作流程，可以很容易地从点云构建最终的不规则图形实体模型和样条四边形网格。映射，并将其转换为NURBS坡度，该模型是高效的。Artec Studio扫描手机软件在拼接扫描的数据信息时已经完成了数据预处理，并转化为三角形网格图的实体模型。在科学研究中，利用Geomagic手机软件的关键模型对实体模型进行拟合、诊断和修复，并对实体模型进行裁剪和改进。及其外观等，以重构数据信息。100m的测量范围，在矿区地下空间的自然环境中，您可以边走边高效采集地下空间布局的空间数据。将点云切片并导入CAD后，即可进行矿区地下空间制作所需的勘测制作工作。

5.4 SLAM技术优势

同时定位与建图（SLAM）技术是移动测量的关键技术，也是近年来网络科研的热点。SLAM可以描述为：基于位置测绘工程环境的移动扫描系统软件。传感器获得的信息识别出它的位置，同时逐渐构建出体积不断增加的周围环境的地形图。SLAM优化算法利用传感器获得的空间数据库进行标定和配对。传感器范围越大，视场越宽，获得和参与标定的数据信息越多，配对偏差就越小。SLAM优化算法大致可分为两类：基于滤波器的方法和基于图的方法基于滤波器的优化算法仅使用当前光电传感器的测量数据信息进行计算，因为它没有考虑上一次的测量数据信息，在精确定位和地形图构建层面。根据图提升的方法，采用全局提升配对方式，标定采用从原始时间到当前时间的所有测量数据信息，状态不断被新信息标定，实际效果更强.基于图提升的SLAM优化算法主要涉及前端和后端两部分。前面部分负责合成方法，计算室内空间管束的关系。创建室内空间管束的关键是这两种方法，一种是基于附近的传感器。另一种是基于闭环控制测试创建的，即传感器在整个行驶过程中一直返回到之前的地方生成一个闭环，然后生成室内空间管理束关联。后者负责改进，优化的基础是前面生成的室内空间束之间的关系。在移动扫描系统软件的整个过程中，前台不断创建新的室内空间管理协会，后者根据这个室内空间管理协会不断完善，优化结果交给前台携带出新的计算，前后端继续进行。移动扫描系统的相互实际操作促进了移动扫描系统软件现状和组成方式的不断升级。

6 结论

综上所述，三维激光扫描技术又称实景拍摄数据存储方式，具有高效、高精度测量等优点。三维测量技术发展迅速，日趋完善，在这个阶段，三维扫描机器和设备正在逐步效率化。手持式三维激光扫描仪通过发射激光对被测物体进行扫描，获得被测物体表面的三维坐标，其巨大的优势取决于快速扫描被测物体的能力。扫描可以立即获得高精度的扫描点云数据信息，无需反射面棱镜。这样，可以有效地进行现实世界的三维建模和虚拟表示，移动手持式三维激光扫描仪可以快速获取室内空间点的云数据信息。调用对齐式扫描仪更加方便灵活，得到的空间数据库更加准确。在测绘工作中，可以大大提高测绘工程的工作效率，节省人员人力资源，但对于特征点不显着的直伸斜井，扫描精度有一定误差，需要进一步研究和改善。