55-19-基于三维激光扫描点云的矿山巷道三维建模方法研究-2016年第2期

（ 2015020581）
［作者简介］ 江记洲 （ 1991－） ，男，河南固始人，硕士研究生，研究方向为三维地矿建模。 ［引用格式］ 江记洲，郭甲腾，吴立新，等 . 基于三维激光扫描点云的矿山巷道三维建模方法研究 ［J］ . 煤矿开采，2016，21（ 2） ： 109－113.
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总第 129 期
江记洲等： 基于三维激光扫描点云的矿山巷道三维建模方法研究
区域 坐标范围
x* = f( x，z)
表 1 巷道点云区域分布及对应投影点坐标计算
1 x≥0＆z≥0 x* = Ｒ·arctan z
点云数据的二维与三维相互转化的难点，且在转化
的过程中不能破坏数据之间的拓扑关系及模型精
度； 需完成点云数据二维与三维转化过程中 “割 110
裂” 数据的 “拼接” 难点，从而构建拓扑关系完
整的三维巷道模型。因此，本文研究的重点是巷道
点云的投影转换和巷道表面三角网的 “拼接”，为
基于单站点巷道点云建模提供理论依据。
［收稿日期］ 2015－08－19
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2016. 02. 029
［基金项目］ 国家自然科学基金资助项目 （ 41001228） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 （ N140104002） ； 辽宁省科学技术基金项目
建模 技 术 中， 主 要 采 用 Geomagic Studio， Imagewave，CopyCAD，Ｒapidfrom 等［13］软件处理点云数 据。由于上述软件中的三维建模方法需频繁的人工 交互，建模效率较低，且自动化程度不高，因此， 亟需研究一种高效且自动化的基于三维激光扫描点 云的巷道三维建模方法。
Abstract： An automation 3-D modeling method was put forward based on projection transformation of point cloud coordinate. On the basis of space geometric features of mine roadway，3-D point cloud was transformed to 2-D discrete points by cylindrical plane projection，then triangulation was applied based on sub-rule algorithm，topological relation of 2-D，3-D point cloud and triangular net were saved at the same time，3-D roadway model was rebuilt at the end. An original experimental model was developed based on it. Laser scanning and 3-D rebuilt experiment was applied in one section of roadway of mine at home，3-D model was rebuilt successfully. The results showed that the method laser point cloud automatic processing roadway single station and 3-D rebuilt method not only suit for mine，but also could be applied in other underground project，such as 3-D modeling of sub way tunnel. Key words： 3-D laser scanning； point cloud； mine roadway； triangle net； 3-D modeling
1. 2 巷道点云投影
圆柱形投影面与巷道关系见图 1。巷道位于相
对空间坐标系 O－XYZ 中，O 点是三维激光扫描仪
扫描中心； rf 是模拟巷道表面； cf 是模拟圆柱形投
影面，ab 是圆柱投影面的主轴，ab 平行于巷道轴
向延伸方向 （ 巷道延伸方向是 X 轴或 Y 轴取决于
三维激光扫描仪的初始设置） 。本文研究的是 Y 轴
1 基于三维激光点云巷道建模关键技术
三维激光点云的主要特征有： （ 1） 海量性 即点云点数可达到百万级、千 万级甚至亿级。 （ 2） 离散性 即点与点之间相互独立，无任 何拓扑关系，即不能表征目标体表面的拓扑关系。 （ 3） 高精度性 如 50m 的距离内对目标体进 行点云数据采集，其扫描精度±6mm。
［关键词］ 三维激光扫描； 点云； 矿山巷道； 三角网； 三维建模 ［中图分类号］ TD178 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2016） 02-0109-05
3-D Modeling Method of Mine Ｒoadway Based on 3-D Laser Scanning Point Cloud
道点云之间拓扑关系。在巷道中，巷道点云中各点
对于激光发射中心都具有可视性，若沿巷道轴向延 伸将其投影到主轴平行于巷道中心轴的圆柱面上， 则投影后的点之间不会重叠，那么可通过三角网准 确构建巷道点云间拓扑关系。综上所述，基于巷道
点云建模概括分为点云数据预处理和基于圆柱面投
影构建巷道点云之间拓扑关系两部分。
q = {( x* ，y* ) | x* = f( x，z) ，y* = y} （ 3） 式中，已知投影圆柱底面半径为 Ｒ，圆周率是 π， 且 y* = y ，那么 x* = f( x，z) 可根据表 1 中不同分 区的公式进行计算。
巷道点云经过表 1 中的投影坐标计算等式，得 到巷道投影点 Q 各点二维投影坐标。通过巷道点 云投影模型，分别计算 6 个区域不同区域巷道点云 的投影坐标，将巷道点云转换为二维投影点。通过 分治算法三角剖分巷道点云投影点构建其拓扑关 系，然后通过二维拓扑三角网构建巷道表面三维三 角网，由于圆柱形投影面展开为二维后，在 cd 处
本文从单站点三维激光扫描点云入手研究，针
对三维 激 光 扫 描 仪 获 取 的 单 站 点 三 维 巷 道 点 云 （ 下文简称巷道点云） ，需要正确计算各点之间的
拓扑关系。通常需将巷道点云投影到平面上，然而
扫描巷道表面时视场较大，若将巷道点云直接投影
到某一平面，投影后的点之间会产生重叠、遮挡等
问题。因此，通过一般的平面投影不能正确计算巷
平行于巷道轴向延伸方向，圆柱形投影面所在圆柱
体底面半径为 Ｒ （ Ｒ 值需在阈值内，否则会导致生
成的三角网错误） ，Ｒ 值计算见公式 （ 2） （ xmin 和 ymin 分别是巷道点云 x 和 y 最小值） ：
槡 Ｒ = 0. 5·
x2 min
+
y2 min
（ 2）
图 1 圆柱投影面与巷道实体示意
于三维激光扫描点云可建立更为精细的巷道三维模 型，对矿山 安 全 生 产 和 施 工 决 策［7］ 等 方 面 具 有 现 实指导意义［8］。 传 统 的 巷 道 三 维 建 模 方 法， 如 三 棱柱体元［9］、约束三角网［10］及 Bezier 曲线［11］等主 要基于断面特征点、巷道中线、导线坐标数据联合 构建模型［12］，模型受建模方法、数据精度的影响， 其构建的三维模型不够精细。在基于激光点云三维
（ 1. 东北大学 测绘遥感与数字矿山研究所，辽宁 沈阳 110819； 2. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221008）
［摘 要］ 基于点云坐标投影转换，提出了一种自动化的巷道三维建模方法。该方法依据矿山 巷道的空间几何特征，采用圆柱面投影将三维点云转换为二维离散点，然后应用分治算法进行三角剖 分，同时保存二三维点云及三角网之间的拓扑关系，最后重建三维巷道模型。基于此方法，开发了一 个实验原型系统，并针对国内地下矿山的一段巷道开展了激光扫描和三维重建实验，成功地重建了巷 道三维模型。实例结果表明，本文所提出的适用于巷道单站点激光点云的自动处理和三维重建的方法 不仅仅局限于矿山应用，还可进一步推广应用于其他地下工程，如地铁巷道的三维建模等。

y
=

sinγ
z 0
cosγ 0
0 1

·

y0 z0

（ 1）
（ 2） 基于圆柱面投影构建巷道点云之间拓扑
关系 巷道点云仿射变换后，将巷道点云投影到主 轴平行于巷道延伸方向的圆柱面，然后圆柱形投影
面展开形成二维矩形平面。应用分治算法三角剖分
Q 构建三角网，然后根据 P 中各点与 Q 中各点一一
JIANG Ji-zhou1 ，Guo Jia-teng1 ，Wu Li-xin1，2 ，YANG Yi-zhou1 ，ZHOU Wen-hui1 ，ZHANG Pei-na1
（ 1. Ｒemote Sensing and Digital Mine Institute，Northeastern University，Shenyang 110819，China； 2. Environment ＆ Surveying College，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221008，China）
煤矿开采
2016 年第 2 期
（ 4） 丰富性 除了点云空间坐标，三维激光 扫描仪还可获取目标体激光反射强度等［14］。
将三维激光扫描技术应用到巷道建模中时，虽
然三维激光点云的海量性导致构建巷道模型复杂度
高，且其离散性导致难以构建点云之间正确拓扑关
系，但是其高精度性和丰富性可保证构建精细巷道
模型。
1. 1 基于三维激光点云巷道建模分析
线段 cd 是平面 OXY 与圆柱形投影面交线 （ 圆 柱形投影面展开处） ； 线段 fh 是平面 OXY 与巷道 面交线； p 是巷道点云中的一点，q 点是点 p 在圆 柱投影面上的投影点，e 点是过 q 点平行于圆柱体 底面圆与 cd 的交点； α 是平面 pab 与平面 Ocd 之间 的夹角，x* 是点 p 在圆柱面上的投影长度。巷道 点云投影圆柱面在 cd 处展开转变为一个矩形平面。 巷道点云分布在 6 个区域 （ 表 1） ，巷道点云 p = ( x ，y ，z ) 对应的投影点为：
第 21 卷 第 2 期 （ 总第 129 期） 2016 年 4 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 2 （ Series No. 129） April 2016
矿山空间信息学与数字矿山
基于三维激光扫描点云的矿山巷道三维建模方法研究
江记洲1 ，郭甲腾1 ，吴立新1，2 ，杨宜舟1 ，周文辉1 ，张培娜1
对应的关系构建巷道点云之间三维拓扑关系，最后
“拼接” 构建完整三维巷道模型 （ 设预处理后巷道
点云为 P = {p1，p2，…，pn} ，其对应的巷道投影
点为 Q = {q1 ，q2 ，…，qn} ，pi = ( xi，yi，zi) qi
=
(
x
* i
，y
* i
)
）。
分பைடு நூலகம்可知，需通过圆柱面投影的方法解决巷道
三维激光扫描通过记录激光脉冲的方向及目标 表面反射激光的时间 （ 或相位差） 来获取目标点 三维坐标［1］， 可 获 取 扫 描 物 体 表 面 的 散 乱 无 序 的 高精度点云数据集，其具有数据获取高效、数据精 度精确、测量非接触等优点［2－3］。因此，利用激光 点云数据集可构建更为精细的三维模型。在矿山 中，巷道是井下各种人工要素的主要空间载体，巷 道数据与模型是数字矿山［4－6］的主要构成部分。基
（ 1） 巷道点云预处理 主要是点云的仿射变
换 （ 公式 1） ，巷道点云相对坐标系的 Y 轴与巷道
延伸方向偏移的角度 γ （ 扫描操作的影响） ，将巷
道点云绕 Z 轴旋转 γ，使巷道点云的相对坐标系的
X 轴平行于巷道的延伸方向，Z 轴沿铅垂线向上。
x cosγ － sinγ 0 x0