CN109920060A - 一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，综合利用槽波探测仪、地质测绘仪、激光扫描仪和探地雷达等装置，自动生成工作面高精度导航模型；包括如下步骤：(1)获取工作面的多源信息特征数据库，并对其坐标位置、数据类型和要素属性进行优化处理；(2)分别对多源数据的坐标位置、数据特征和要素关系进行一致性处理，建立基于多源数据融合的工作面Delaunay三角网；(3)将工作面Delaunay三角网融入到矿井地理信息系统中，自动生成工作面高精度导航模型。优点：本发明能快速有效的生成工作面高精度导航模型，定位精准度可达到厘米级，为无人化开采提供精确的导航数据。

Description

一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法

技术领域

本发明涉及一种导航模型生成方法，尤其是一种适用于煤矿无人化开采的工作面厘米级高精度导航模型生成方法，属于煤矿无人化开采技术领域。

背景技术

煤矿无人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，在地质条件和煤层结构相对简单的工作面可以采用记忆截割和人工远程干预相结合方式实现自动化/无人化开采，但我国大部分工作面的地质条件和煤层结构都非常复杂(如煤层起伏变化大，存在断层、褶皱等危险地质构造)，导致现有技术无法实现自动化/无人化开采。近年来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，但目前矿井地理信息系统在煤矿应用中，主要是利用空间数据库建立矿区巷道的平面图，人员定位分布图、设备物资分布图，这些图的要素是简单的地理信息与拓扑关系，无法实现综采装备厘米级的高精度定位与导航功能。为解决以上难题，可仿效地上无人驾驶高精度导航地图构建理念来来生成地下无人工作面高精度导航模型，为综采装备提供高精度导航信息，如煤层厚度/倾角/变化趋势，煤岩分界线，危险地质构造位置等，实现工作面无人化开采。

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，提供了一种操作方便、速度快、定位精准度可达到厘米级的用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，综合利用槽波探测仪、激光扫描仪、地质测绘仪和探地雷达测量的数据，包括如下步骤：

(1)通过槽波探测仪获取待开采工作面煤层信息数据，通过激光扫描仪获取巷道三维点云数据，通过地质测绘仪获取底板等高线和断层褶皱数据，通过探地雷达装置获取巷道顶板的地质数据，结合煤矿建井数据，组建工作面多源信息特征数据库；

(2)对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性、要素关系进行优化处理；

(3)分别对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性和要素关系进行一致性处理；

(4)构建基于多源数据融合的工作面Delaunay三角网；

(5)将构建的工作面Delaunay三角网融入到矿井地理信息系统中，校验融入后的工作面Delaunay三角网的几何精度、关系精度和属性值精度是否满足厘米级的精度要求，对不满足精度要求的三角网重新进行构建，满足精度要求的三角网进行平滑过渡处理，自动生成工作面高精度导航模型。

所述的步骤2中，优化处理包括：采用弦高差方法去除噪声点、均值滤波方法进行平滑滤波、三次样条插值进行数据修补。

所述的步骤3中，对坐标位置的一致性处理步骤包括：

(1)首先，对多源数据的坐标空间基准进行一致性处理，采用七参数坐标转换法将多源数据统一转换到井下地理信息坐标系中；

(2)其次，利用四点变换法通过原始数据与目标数据的一组同名点控制点，建立原始数据空间与目标数据空间之间的坐标对应关系，并利用这种对应关系把原始数据空间中全部元素变换到目标数据空间中去，生成符合种标准和图形表达要求的新数据，实现多源空间数据的坐标位置配准误差纠正；

(3)最后，基于同名控制点三角剖分坐标变换算法来实现多源数据的坐标位置一致性处理。

所述的步骤3中，对数据属性的一致性处理包括：首先，采用基于工作面规则特征的属性特征映射与转换方法，即通过在工作面规则特征中定义要素分类分级和属性特征项的映射关系，列出相同或相似的属性特征，经过整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现多源空间数据在属性特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现多源数据属性特征合并。

所述的步骤3中，对要素关系的一致性处理包括：

(1)读取并记录工作面多源信息特征数据库更新前后的数据要素关系，确定数据要素关系一致性处理原则；

(2)根据拓扑关系的描述获得数据库更新前后的拓扑关系矩阵P₁和P₂，通过计算拓扑关系矩阵的差值，即P₂-P₁，来判断数据库更新前后要素关系是否一致；

(3)如果P₂-P₁＝0则表示要素关系一致，不需要再对要素进行其他处理；

(4)反之，则表示要素关系不一致，需要在面向要素关系一致性处理规则的指导下具体实施要素关系的一致性处理。

有益效果：本发明能为煤矿无人化开采提供精确导航数据，定位精准度可达到厘米级，能快速有效的生成工作面高精度导航模型，与现有技术相比的主要优点有：

(1)定位精度高可达到厘米级，可为综采装备提供高精度导航信息，包括煤层厚度/倾角/变化趋势，煤岩分界线，危险地质构造位置等。

(2)可有效的将多源数据融合的工作面Delaunay三角网融入到矿井地理信息系统中，快速生成工作面高精度导航模型。

(3)建模数据的获取方法简单，操作方便、速度快，且所获取的实测数据准确。

附图说明

图1是本发明的工作面高精度导航模型的生成流程图。

图2是本发明的多源信息特征数据库要素关系一致性处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，综合利用槽波探测仪、激光扫描仪、地质测绘仪和探地雷达测量的数据，具体步骤如下：

(1)通过槽波探测仪获取待开采工作面煤层信息数据，通过激光扫描仪获取巷道三维点云数据，通过地质测绘仪获取底板等高线和断层褶皱数据，通过探地雷达装置获取巷道顶板的地质数据，结合煤矿建井数据，组建工作面多源信息特征数据库；

(2)对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性、要素关系进行优化处理；

其中，所述优化处理方法包括：采用弦高差方法去除噪声点、均值滤波方法进行平滑滤波、三次样条插值进行数据修补。

(3)分别对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性和要素关系进行一致性处理；

其中，所述对坐标位置的一致性处理步骤包括：

1)首先，对多源数据的坐标空间基准进行一致性处理，采用七参数坐标转换法将多源数据统一转换到井下地理信息坐标系中；

2)其次，利用四点变换法通过原始数据与目标数据的一组同名点控制点，建立原始数据空间与目标数据空间之间的坐标对应关系，并利用这种对应关系把原始数据空间中全部元素变换到目标数据空间中去，生成符合种标准和图形表达要求的新数据，实现多源空间数据的坐标位置配准误差纠正；

3)最后，基于同名控制点三角剖分坐标变换算法来实现多源数据的坐标位置一致性处理。

所述对数据特征的一致性处理步骤包括：首先，采用基于工作面规则特征的属性特征映射与转换方法，即通过在工作面规则特征中定义要素分类分级和属性特征项的映射关系，列出相同或相似的属性特征，经过整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现多源空间数据在属性特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现多源数据属性特征合并。

如图2所示，所述对多源信息特征数据库要素关系的一致性处理步骤包括：

1)读取并记录工作面多源信息特征数据库更新前后的数据要素关系，确定数据要素关系一致性处理原则；

2)根据拓扑关系的描述获得数据库更新前后的拓扑关系矩阵P₁和P₂，通过计算拓扑关系矩阵的差值，即P₂-P₁，来判断数据库更新前后要素关系是否一致；

3)如果P₂-P₁＝0则表示要素关系一致，不需要再对要素进行其他处理；

4)反之，则表示要素关系不一致，需要在面向要素关系一致性处理规则的指导下具体实施要素关系的一致性处理。

(4)构建基于多源数据融合的工作面Delaunay三角网；

(5)将构建的工作面Delaunay三角网融入到矿井地理信息系统中，校验融入后的工作面Delaunay三角网的几何精度、关系精度和属性值精度是否满足厘米级的精度要求，对不满足精度要求的三角网重新进行构建，满足精度要求的三角网进行平滑过渡处理，自动生成工作面高精度导航模型。

Claims (5)

1.一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，综合利用槽波探测仪、激光扫描仪、地质测绘仪和探地雷达测量的数据，其特征在于：包括如下步骤：

(1)通过槽波探测仪获取待开采工作面煤层信息数据，通过激光扫描仪获取巷道三维点云数据，通过地质测绘仪获取底板等高线和断层褶皱数据，通过探地雷达装置获取巷道顶板的地质数据，结合煤矿建井数据，组建工作面多源信息特征数据库；

(2)对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性、要素关系进行优化处理；

(3)分别对多源信息特征数据库的坐标位置、数据属性和要素关系进行一致性处理；

(4)构建基于多源数据融合的工作面Delaunay三角网；

(5)将构建的工作面Delaunay三角网融入到矿井地理信息系统中，校验融入后的工作面Delaunay三角网的几何精度、关系精度和属性值精度是否满足厘米级的精度要求，对不满足精度要求的三角网重新进行构建，满足精度要求的三角网进行平滑过渡处理，自动生成工作面高精度导航模型。

2.根据权利要求1中所述的一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，其特征在于：所述的步骤2中，优化处理包括：采用弦高差方法去除噪声点、均值滤波方法进行平滑滤波、三次样条插值进行数据修补。

3.根据权利要求1中所述的一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，其特征在于：所述的步骤3中，对坐标位置的一致性处理步骤包括：

(1)首先，对多源数据的坐标空间基准进行一致性处理，采用七参数坐标转换法将多源数据统一转换到井下地理信息坐标系中；

(2)其次，利用四点变换法通过原始数据与目标数据的一组同名点控制点，建立原始数据空间与目标数据空间之间的坐标对应关系，并利用这种对应关系把原始数据空间中全部元素变换到目标数据空间中去，生成符合种标准和图形表达要求的新数据，实现多源空间数据的坐标位置配准误差纠正；

(3)最后，基于同名控制点三角剖分坐标变换算法来实现多源数据的坐标位置一致性处理。

4.根据权利要求1中所述的一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，其特征在于：所述的步骤3中，对数据属性的一致性处理包括：首先，采用基于工作面规则特征的属性特征映射与转换方法，即通过在工作面规则特征中定义要素分类分级和属性特征项的映射关系，列出相同或相似的属性特征，经过整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现多源空间数据在属性特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现多源数据属性特征合并。

5.根据权利要求1中所述的一种用于无人化开采的工作面高精度导航模型生成方法，其特征在于：所述的步骤3中，对要素关系的一致性处理包括：

(1)读取并记录工作面多源信息特征数据库更新前后的数据要素关系，确定数据要素关系一致性处理原则；

(2)根据拓扑关系的描述获得数据库更新前后的拓扑关系矩阵P₁和P₂，通过计算拓扑关系矩阵的差值，即P₂-P₁，来判断数据库更新前后要素关系是否一致；

(3)如果P₂-P₁＝0则表示要素关系一致，不需要再对要素进行其他处理；

(4)反之，则表示要素关系不一致，需要在面向要素关系一致性处理规则的指导下具体实施要素关系的一致性处理。