本發(fā)明涉及采空區(qū)數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法。

背景技術(shù)：

目前，礦山企業(yè)在開采地下礦產(chǎn)資源的時(shí)候，勢(shì)必會(huì)形成采空區(qū)，采空區(qū)往往會(huì)導(dǎo)致地下礦山開采條件變得復(fù)雜，鄰近工作區(qū)的采場(chǎng)和井巷維護(hù)成本增加，甚至?xí)T發(fā)采場(chǎng)頂板垮塌冒落、巷道片幫和地表凹陷等地質(zhì)災(zāi)害，給礦山安全的生產(chǎn)帶來(lái)威脅。針對(duì)這些問(wèn)題，從傳統(tǒng)的工程鉆探、探地雷達(dá)、地球物理勘探等采空區(qū)探測(cè)技術(shù)，發(fā)展到目前國(guó)內(nèi)外利用三維激光掃描設(shè)備獲取采空區(qū)內(nèi)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)采空區(qū)點(diǎn)云的三維重建，就能形象逼真地表達(dá)出采空區(qū)的真實(shí)形態(tài)，對(duì)于礦山鄰近采場(chǎng)回采設(shè)計(jì)、采空區(qū)充填、礦柱爆破設(shè)計(jì)和回采貧損控制等方面具有重要的參考意義。目前應(yīng)用礦山領(lǐng)域的三維激光掃描儀供應(yīng)商有美國(guó)faro公司、加拿大optech公司、英國(guó)mdl公司、澳大利亞maptek公司、北礦院礦山所和長(zhǎng)沙迪邁。

使用三維激光掃描儀探測(cè)采空區(qū)的理想操作是，在采空區(qū)入口巷垂直道架設(shè)2個(gè)支撐架，支撐架上水平固定延長(zhǎng)桿，激光掃描儀通過(guò)延長(zhǎng)桿伸入空區(qū)1～2米，設(shè)置掃描參數(shù)之后設(shè)備自動(dòng)初始化并水平調(diào)零。通過(guò)大量采空區(qū)探測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)入口處的巷道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，底板淤泥積水嚴(yán)重，不具備架設(shè)支撐架的理想條件，直接把延伸桿放置在不平整的底板上，延長(zhǎng)桿靠近空區(qū)端部安裝三維激光掃描儀并伸入空區(qū)，延長(zhǎng)桿靠近巷道端部則用現(xiàn)場(chǎng)石塊壓實(shí)承重。此時(shí)延長(zhǎng)桿存在水平傾斜和側(cè)向傾斜：延長(zhǎng)桿的水平傾斜造成三維激光掃描儀水平傾斜，最終反映在采空區(qū)點(diǎn)云整體的水平傾斜；延長(zhǎng)桿的側(cè)向傾斜造成三維激光掃描儀初始位置側(cè)向偏轉(zhuǎn)，最終反映在采空區(qū)點(diǎn)云整體的側(cè)向傾斜。這兩種情形都會(huì)使探測(cè)的空區(qū)模型并不能真正反映實(shí)際空區(qū)形態(tài)，造成采集數(shù)據(jù)的不真實(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法，以解決三維激光掃描儀探測(cè)采空區(qū)形成的空區(qū)點(diǎn)云存在水平傾斜和側(cè)向傾斜兩種不能反映真實(shí)采空區(qū)邊界的難題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法，其包括以下步驟：

s1.根據(jù)采空區(qū)探測(cè)點(diǎn)云坐標(biāo)及掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)，基于移動(dòng)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云的相對(duì)坐標(biāo)；

s2.計(jì)算傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量，基于旋轉(zhuǎn)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的傾斜修正值；

s3.根據(jù)采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的傾斜修正值，基于移動(dòng)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云空間坐標(biāo)。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟s1還包括：

基于掃描儀對(duì)采空區(qū)的探測(cè)，獲取掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)(x0,y0,z0)和位姿參數(shù)、及采空區(qū)探測(cè)云點(diǎn)坐標(biāo)

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟s1中，所獲得的采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)掃描儀的坐標(biāo)為

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述掃描儀的位姿參數(shù)包括掃描儀的水平傾角θ、側(cè)向傾角α及其方位角γ。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟s2包括：

計(jì)算采空區(qū)點(diǎn)云水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量，基于旋轉(zhuǎn)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的水平傾斜修正值；

計(jì)算采空區(qū)點(diǎn)云側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量，基于旋轉(zhuǎn)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的側(cè)向傾斜修正值。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述計(jì)算水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量包括以下步驟：

根據(jù)激光掃描儀的位姿參數(shù)計(jì)算出激光掃描儀所在空間直線的單位方向向量

獲取掃描儀所在空間直線的單位方向向量的水平投影單位向量

基于右手定律，獲取水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的水平傾斜修正值的方法為：

將水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量和水平傾角θ代入旋轉(zhuǎn)矩陣：

其中，nx,ny,nz為旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量的三軸分量，得到水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣水平傾斜修正后的采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)為：

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述計(jì)算采空區(qū)點(diǎn)云側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量包括以下步驟：側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸為掃描儀初始位置的水平投影，故側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的側(cè)向傾斜修正值的方法包括：

將側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量和側(cè)向傾角α代入旋轉(zhuǎn)矩陣得到側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣側(cè)向傾斜修正后的采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)為：

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法，在獲取激光掃描儀初始化的位姿參數(shù)和基準(zhǔn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，首先以與激光掃描儀所在空間直線垂直的水平空間直線為旋轉(zhuǎn)軸作θ角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)水平傾斜點(diǎn)云坐標(biāo)修正，再以激光掃描儀所在的空間直線的水平投影為旋轉(zhuǎn)軸作α角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)側(cè)向傾斜點(diǎn)云坐標(biāo)修正。本發(fā)明通過(guò)修正點(diǎn)云坐標(biāo)可以有效克服三維激光掃描儀探測(cè)采空區(qū)形成的空區(qū)點(diǎn)云存在水平傾斜和側(cè)向傾斜兩種不能反映真實(shí)采空區(qū)邊界的問(wèn)題，使修正后的點(diǎn)云坐標(biāo)能真實(shí)表達(dá)采空區(qū)真實(shí)邊界情況，對(duì)修正的采空區(qū)點(diǎn)云進(jìn)行三維重建形成采空區(qū)實(shí)體模型，對(duì)于采空區(qū)充填、鄰近采場(chǎng)回采設(shè)計(jì)、礦柱爆破設(shè)計(jì)、回采貧損計(jì)算和附近工程布置等方面具有重要的參考意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法的流程框圖；

圖2為本發(fā)明的采空區(qū)點(diǎn)云水平傾斜坐標(biāo)修正原理圖；

圖3為本發(fā)明的采空區(qū)點(diǎn)云側(cè)向傾斜坐標(biāo)修正原理圖；

圖4為本發(fā)明的采空區(qū)點(diǎn)云水平傾斜坐標(biāo)修正效果圖；

圖5為本發(fā)明的采空區(qū)點(diǎn)云側(cè)向傾斜坐標(biāo)修正效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供了一種采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法，包括以下步驟：

s1.根據(jù)采空區(qū)探測(cè)點(diǎn)云坐標(biāo)及掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)，基于移動(dòng)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云的相對(duì)坐標(biāo)；

s2.計(jì)算傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量，基于旋轉(zhuǎn)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的傾斜修正值；

s3.根據(jù)采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的傾斜修正值，基于移動(dòng)變換，獲取采空區(qū)點(diǎn)云空間坐標(biāo)。

其中，步驟s1詳細(xì)包括以下步驟：

使用三維激光掃描設(shè)備對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)延長(zhǎng)桿將激光掃描儀伸入采空區(qū)，初始化掃描儀獲取激光掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)，獲取掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)(x0,y0,z0)和位姿參數(shù)、及采空區(qū)探測(cè)云點(diǎn)坐標(biāo)

其中，掃描儀的位姿參數(shù)包括掃描儀的水平傾角θ、側(cè)向傾角α及其方位角γ，而當(dāng)水平傾角θ＞0時(shí),表示掃描儀初始狀態(tài)上仰；θ＜0時(shí),表示掃描儀初始狀態(tài)下俯；當(dāng)側(cè)向傾角α＞0時(shí),表示掃描儀初始狀態(tài)發(fā)生逆時(shí)針?lè)瓭L；當(dāng)側(cè)向傾角α＜0,則表示掃描儀初始狀態(tài)發(fā)生順時(shí)針?lè)瓭L；而方位角γ則表示掃描儀初始狀態(tài)水平投影與正北方向的角度。

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下設(shè)定，x0＝2698.185m,y0＝8528.563m,z0＝-848.863m，故掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)為(2698.185，8528.563，-848.863)，掃描儀初始的水平傾角θ＝14.56°(表示掃描儀初始狀態(tài)上仰)，掃描儀的側(cè)向傾角α＝4.12°(表示掃描儀初始狀態(tài)發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn))，掃描儀的方位角γ＝447.873°。探測(cè)時(shí)，激光掃描儀360°旋轉(zhuǎn)并連續(xù)探測(cè)采空區(qū)邊界點(diǎn)信息，最終得到采空區(qū)探測(cè)點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，探測(cè)點(diǎn)云記為

為了獲取采空區(qū)點(diǎn)云與掃描儀的相對(duì)坐標(biāo)，將探測(cè)點(diǎn)云a0各個(gè)坐標(biāo)減去激光掃描儀的基準(zhǔn)坐標(biāo)，得到相對(duì)激光掃描儀的采空區(qū)點(diǎn)云的坐標(biāo)為：

由于在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，延長(zhǎng)桿存在水平傾斜和側(cè)向傾斜兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)誤差，因此，為了克服上述的誤差，故在上述步驟s2中包括對(duì)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的水平傾斜修正和側(cè)向傾斜修正，兩個(gè)方向上的修正過(guò)程，具體步驟如下。

對(duì)采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的水平傾斜修正，請(qǐng)參閱圖2所示：

根據(jù)激光掃描儀的位姿參數(shù)計(jì)算出激光掃描儀所在空間直線的單位方向向量

然后，獲取掃描儀所在空間直線的單位方向向量的水平投影單位向量

根據(jù)右手定律，獲取水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量

將水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量和水平傾角θ代入旋轉(zhuǎn)矩陣中，得到水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣

上述過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

其中，nx,ny,nz為旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量的三軸分量，ε為繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

最后，將采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)與水平傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行點(diǎn)乘，以得到水平傾斜修正后的采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)。其修正效果如圖4所示。而具體計(jì)算過(guò)程如下：

對(duì)采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)的側(cè)向傾斜修正，請(qǐng)參閱圖3所示：

由于側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸為掃描儀初始位置的水平投影，故側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量為：

然后，將側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)軸單位方向向量和側(cè)向傾角α代入旋轉(zhuǎn)矩陣以得到側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣具體計(jì)算過(guò)程如下:

然后，將采空區(qū)點(diǎn)云的相對(duì)坐標(biāo)與側(cè)向傾斜修正旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行點(diǎn)乘，以獲得側(cè)向傾斜修正后的采空區(qū)點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)，修正效果見圖5所示，而具體計(jì)算過(guò)程如下：

進(jìn)一步的，本發(fā)明的步驟s3包括以下步驟：

將側(cè)向傾斜修正采空區(qū)點(diǎn)云各個(gè)坐標(biāo)分量加上激光掃描儀基準(zhǔn)坐標(biāo)，得到修正后的采空區(qū)點(diǎn)云

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N采空區(qū)點(diǎn)云坐標(biāo)修正方法，在獲取激光掃描儀初始化的位姿參數(shù)和基準(zhǔn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，首先以與激光掃描儀所在空間直線垂直的水平空間直線為旋轉(zhuǎn)軸作θ角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)水平傾斜點(diǎn)云坐標(biāo)修正，再以激光掃描儀所在的空間直線的水平投影為旋轉(zhuǎn)軸作α角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)側(cè)向傾斜點(diǎn)云坐標(biāo)修正。本發(fā)明通過(guò)修正點(diǎn)云坐標(biāo)可以有效克服三維激光掃描儀探測(cè)采空區(qū)形成的空區(qū)點(diǎn)云存在水平傾斜和側(cè)向傾斜兩種不能反映真實(shí)采空區(qū)邊界的問(wèn)題，使修正后的點(diǎn)云坐標(biāo)能真實(shí)表達(dá)采空區(qū)真實(shí)邊界情況，對(duì)修正的采空區(qū)點(diǎn)云進(jìn)行三維重建形成采空區(qū)實(shí)體模型，對(duì)于采空區(qū)充填、鄰近采場(chǎng)回采設(shè)計(jì)、礦柱爆破設(shè)計(jì)、回采貧損計(jì)算和附近工程布置等方面具有重要的參考意義。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。