[发明专利]基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法。

背景技术

地下金属矿山开采形成的采空区【采空区是指矿山开采形成的空区】往往致使矿山开采条件恶化，相邻作业区采场和巷道维护困难，甚至引发井下大面积冒落、岩移、地表塌陷等灾害，对矿山安全生产构成严重威胁。目前，国内外采空区的探测技术主要有工程钻探、地球物理勘探、激光扫描探测等技术，在准确获取采空区三维形态方面，激光扫描探测技术具有一定的优势，其探测的点云数据【点云是指在获取物体表面每个采样点的空间坐标后得到的点的集合，称之为“点云”。点云(Point Cloud)是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。根据激光测量原理得到的点云，包括三维坐标(XYZ)。】可建立采空区三角网实体模型【三角网实体模型是指由三角形组成的网格面片用于模拟实体的三维形态的实体模型】，三角网实体模型可用于采矿设计、采场回采指标计算、数值模拟分析、可视化安全监管等方面。应用较广泛的空区激光扫描探测设备有加拿大的空区监测系统CMS和英国的空区自动扫描激光系统C-ALS。

借助激光扫描探测设备对采空区进行探测，其工作原理如下：通过连接杆将激光扫描头伸入空区，探测时扫描头360°旋转并通过激光连续测量采空区边界点信息，每扫描完一圈后扫描头将自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作，CMS探测原理如图1所示。

理想的空区激光探测数据为非常规律的有序点云，点与点之间夹角是一定的，一圈接一圈排列。而实际探测时由于采空区水汽大、粉尘多、有积水、局部障碍物等不利因素影响，导致点云信息可能产生噪声点或局部数据丢失等情况，破坏了扫描点云的应有的拓扑规律，这对于有序点云三角剖分产生非常不利的影响【点云三角剖分是指按照一定的规则以点云为顶点，构建一系列三角形，所有三角形不重叠、不交叉、无缝隙地组成一个三角网曲面。】。

现有的对于采空区有序点云进行三角剖分的算法，有基于格网的三角剖分方法、最大张角三角剖分方法。基于格网的三角剖分方法的思路是先将圈与圈之间的点按照顺序先连成四方形格网，然后将每个网格分为两个三角形网格，其方法示意图如图2所示。最大张角三角剖分方法是参照圈与圈之间的连线(新三角形两个顶点)，依据最大张角原则选择两圈中张角较大的邻点，作为新三角形的第三顶点，不断更新最终完成全部三角剖分，其方法示意图如图3所示。

考虑了点云有序拓扑关系的基于格网的三角剖分方法和最大张角三角剖分方法，在激光探测点云数据较为完整、空间拓扑关系保存完好的情况下，能够构建较好三角网格模型。但在实际情况下，当点云数据发生缺失、空间拓扑关系被破坏时，构建的三角网模型就会出现局部狭长三角形或者模型局部变形。

如果不考虑点云的规律性，即作为散乱点云进行研究，目前可参考的主要方法有三维Delaunay三角剖分方法、阵面(前沿)推进法(Advancing Front Method)和八叉树(Octree)法等。上述方法对于复杂形态的采空区激光扫描点云进行三角剖分方面的研究应用很少，由于没有考虑激光扫描点云已有的拓扑规律，算法复杂度高，效率低，效果尚未验证；对复杂形态的采空区的适用性不强，目前尚未有一种非常有效的针对采空区边界散乱点云精确建模方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，充分利用采空区激光扫描点云的空间拓扑规律，比散乱点云三角剖分效率高；同时对不利环境因素影响导致获取不完整和拓扑关系破坏的扫描点云数据，采用拓扑规律修复和三角剖分的方法，比已有的有序点云三角剖分方法准确性高。

本发明的技术方案为：

一种基于旋转面的采空区激光扫描点云三角剖分方法，

使用激光扫描探测设备对采空区进行探测，通过连接杆将激光扫描头伸入采空区，扫描头360°旋转并通过激光连续探测采空区边界点信息，扫描头扫描一圈得到的点依次相连，形成一个扫面圈；扫描完一圈后扫描头自动抬高预设角度并进行新一圈的扫描，直至完成全部的探测工作；最终得到Y个扫描圈；

然后按以下步骤进行激光扫描点云三角剖分：