[发明专利]一种综采工作面激光扫描三维模型与GIS模型快速匹配方法

说明书

本发明公开了一种综采工作面激光扫描三维模型与GIS模型快速匹配方法，步骤包括：将激光扫描仪安装在采煤机上，快速获取综采工作面激光扫描三维模型；提取工作面激光扫描三维模型和GIS模型的特征点集并求取其表面法向量；采用RANSAC方法对特征点集进行粗匹配；采用法向量约束的改进ICP算法进行特征点对配准，利用单位四元数法求解坐标变换矩阵，并校验是否满足设定的阈值约束条件；精确对齐工作面激光扫描三维模型与GIS模型的坐标系，快速匹配工作面激光扫描三维模型与GIS模型。本发明能快速实现综采工作面三维场景与工作面GIS之间的融合，解决综采工作面实际空间物理状态与GIS描述状态实时同步的问题。

技术领域

本发明涉及一种综采工作面激光扫描三维模型与GIS模型快速匹配方法，属于煤矿智能化开采技术领域。

背景技术

煤矿智能化开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，是减少人员伤亡、保障安全生产的重要手段也是我国煤矿实现安全、高效、绿色开采的有效途径。目前，随着三维可视化技术和计算机图形学的快速发展，一些大型煤矿建立了用于煤矿企业生产管理的矿井地理信息系统(GIS)，提高了矿山生产管理的效率，为安全生产决策提供了技术保障。但目前的工作面GIS模型仍以静态模型为主，不能实现随生产推进的自动更新，无法实时、准确地反应综采工作面最新空间物理状态，是目前迫切需要解决的关键技术，且国内外在这方面的研究还处于空白阶段。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种综采工作面激光扫描三维模型与GIS模型快速匹配方法，实现工作面GIS模型与工作面实际空间物理状态实时同步。

为实现上述技术目的，本发明的综采工作面激光扫描三维模型与GIS模型快速匹配方法，其包含如下步骤：

1)将激光扫描仪安装在采煤机上，激光扫描仪随采煤机移动实时采集综采工作面三维点云数据，利用高斯滤波方法对工作面激光扫描三维点云数据进行去噪滤波处理，利用去噪滤波后的三维点云数据建立综采工作面激光扫描三维模型；

2)采集综采工作面的地质测量数据，利用地质测量数据建立综采工作面地理信息系统(GIS)模型，根据地质特征分布不变法则分别从综采工作面地理信息系统模型中提取巷道三维模型和工作面煤层三维模型的特征点，从而分别获得巷道三维模型特征点集和工作面煤层三维模型特征点集，并对上述特征点集进行网格化划分；

3)分别求取工作面激光扫描三维模型与GIS模型特征点集的表面法向量；

4)采用基于Random Sample Consensus(RANSAC)方法对步骤2中提取的巷道三维模型特征点集和工作面煤层三维模型特征点集进行粗匹配；

5)采用基于法向量约束的改进Iterative Closest Point(ICP)算法对步骤4中粗匹配后的特征点集进行特征点对配准，并校验是否满足表面法向量阈值约束条件，如果不满足要求，将重复步骤4～5，如果满足要求，继续进行下一步运算；

6)采用单位四元数法求解相邻两个工作面激光扫描三维模型与GIS模型特征点集之间的坐标变换矩阵S_k，并计算旋转变化矩阵R_k和平移变换矩阵T_k，并利用公式校验是否满足距离阈值约束条件，如果不满足距离阈值约束条件要求，将S_k+1取代S_k进行迭代；

7)如果满足距离阈值约束条件要求，则利用步骤6中的坐标转换矩阵S_k将工作面激光扫描三维模型与GIS模型坐标系精确对齐，快速匹配工作面激光扫描三维模型与GIS模型，解决综采工作面实际空间物理状态与GIS描述状态的坐标位置实时同步的问题，实现综采工作面GIS模型随生产推进而自动更新，进而实时准确地反应综采工作面最新空间物理状态，为煤矿智能化开采提供关键基础。