【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及矿井通风领域，具体地说是涉及一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法。
技术介绍
1、矿井通风的稳定运行是矿山安全生产的基础。近年来，随着我国多采区、长距离的复杂通风矿井增多，对矿井通风能力要求也越来越高，如何减少矿井通风阻力，提高矿井通风系统的经济效益越来越受到矿山工程师的关注。在影响矿井通风阻力的因素中，巷道表面粗糙度是最主要的因素之一，准确测量巷道表面粗糙度可以帮助矿山工程师有效的进行通风优化。
2、目前，三维激光扫描技术可以准确获取巷道表面粗糙点云数据，然而在计算粗糙度时需要将巷道表面展开为平面，由于整个巷道的粗糙点云数据很难展开，特别是对于拱形断面，曲面展开后同时保留表面本身粗糙特征较为困难，因此通常选取巷道壁面或底板局部区域的点云数据进行粗糙度计算，选取的位置、范围大小也没有一个规定的标准。一方面而言，矿井通风阻力与风流和巷道接触的所有表面均有关系；另一方面而言，由于巷道支护形式不同，且巷道围岩受到顶板、底板来压影响，造成巷道顶板、底板、壁面粗糙程度并不相同，传统测量巷道局部位置粗糙度的方法不能表征整个巷道表面粗糙度，导致计算粗糙度的准确性无法保证。
技术实现思路
1、基于上述技术问题，本专利技术提出一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法。该方法能够将巷道表面展开为平面，同时保留粗糙特征，为巷道表面粗糙度计算提供技术支撑。
2、本专利技术所采用的技术解决方案是：
3、一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展
4、a、采用三维激光扫描仪获取巷道表面三维点云数据；
5、b、将点云数据保存并导入点云处理软件中，基于不同巷道断面形状，实现巷道顶板、底板、壁面的点云分割；
6、c、对巷道顶板、底板、壁面的粗糙表面进行拟合，获得光滑表面；
7、d、采用坐标转换对光滑表面进行展开，同时基于粗糙表面点云沿法向方向对光滑表面的映射，对粗糙表面进行展开；
8、e、将展开后的巷道顶板、壁面、底板粗糙表面拼接为完整的巷道展开粗糙面。
9、优选的，步骤a中：所述三维激光扫描仪的扫描精度为0.01m；控制测站间距为15m，使每个测站之间的扫描数据有30％以上的重叠区域。
10、优选的，步骤b中：将点云数据保存为.txt格式；所述点云处理软件为cloudcompare；所述巷道断面形状有圆形、梯形、矩形和拱形。
11、优选的，步骤c中，拟合步骤如下：
12、c1、随机选取一组点云数据拟合生成光滑表面模型；
13、c2、对于粗糙表面所有点云数据中的每个点，计算其法向投影至光滑表面的距离；
14、c3、通过最小二乘法计算所有粗糙表面点云距离光滑表面的平均距离；
15、c4、重复步骤c2和c3，直至最小二乘法计算精度满足要求。
16、优选的，拟合步骤中涉及到的拟合公式分为圆形断面和非圆形断面两种；
17、圆形断面巷道光滑表面拟合公式：
18、
19、式中：a、b、c为常数，(x0j,y0j,z0j)为巷道中轴线中任意一点，r0为光滑圆形断面巷道半径；
20、(x0j,y0j,z0j)计算公式为：
21、
22、式中：(xrij,yrij,zrij)为任一断面j的粗糙点云坐标，n为该断面所有点云个数；
23、非圆形断面光滑表面拟合公式：
24、zij(xij,yij)＝dx2+exy+fy2+gx+hy+i
25、式中：d、e、f、g、h、i为常数，(xij,yij,zij)为粗糙表面点沿法向方向映射至光滑表面上的点。
26、上述最小二乘法计算公式为：
27、
28、式中：(xrij,yrij,zrij)为粗糙表面任意点坐标，(xij,yij,zij)为粗糙表面点沿法向方向映射至光滑表面上的点，m为沿巷道轴向的点云个数，即断面个数，n为任一断面j的点云个数。
29、优选的，步骤d中，根据巷道断面形状分为四种情况：
30、d1、巷道断面为圆形
31、展开后的粗糙表面点云坐标为：
32、
33、式中：(xrij,yrij,zrij)为粗糙巷道的点，(xij,yij,zij)为粗糙点沿法向方向映射至光滑表面上的点，(xrij',yrij',zrij')为展开后的粗糙点云坐标，r0为光滑圆形半径，x0j，z0j为圆形断面j中圆心x轴坐标和z轴坐标，n为断面j上所有点云个数，xrij，zrij为粗糙点云x轴坐标和z轴坐标；
34、d2、巷道断面为梯形
35、展开后的粗糙表面点云坐标为：
36、
37、式中：(xrij,yrij,zrij)为粗糙巷道的点，(xij,yij,zij)为粗糙点沿法向方向映射至光滑表面上的点，(xrij',yrij',zrij')为展开后的粗糙点云坐标，(x0j,y0j,z0j)为底面与壁面相接的点云坐标；
38、d3、巷道断面为矩形
39、展开后的粗糙表面点云坐标为：
40、(xrij',yrij',zrij')＝(x0j-yij+y0j,y0j+xrij-xij,z0j)
41、(xrij,yrij,zrij)为粗糙巷道的点，(xij,yij,zij)为粗糙点沿法向方向映射至光滑表面上的点，(xrij',yrij',zrij')为展开后的粗糙点云坐标，(x0j,y0j,z0j)为底面与壁面相接的点云坐标；
42、d4、巷道断面为拱形
43、拱形顶面展开后的粗糙表面点云坐标为：
44、
45、拱形直角壁面展开后的粗糙表面点云坐标为：
46、(xrij',yrij',zrij')＝(x0j-yij+y0j,y0j+xrij-xij,z0j)
47、式中：(xrij,yrij,zrij)为粗糙巷道的点，(xij,yij,zij)为粗糙点沿法向方向映射至光滑表面上的点，(xrij',yrij',zrij')为展开后的粗糙点云坐标，r0为拟合光滑圆弧曲面的半径，(x0j,y0j,z0j)为底面与壁面相接的点云坐标。
48、优选的，步骤c和步骤d中：所涉及公式通过c++语言编制为脚本，通过cloudcompare点云处理软件实现巷道粗糙表面自动展开。
49、优选的，步骤e中：采用cloudcompare点云处理软件的旋转、平移功能，将展开后的巷道顶板、壁面、底板拼接为完整的巷道展开粗糙面。
50、上述基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，还包括以下步骤：
51、f采用三角网格实现点云数据网格化。
52、本专利技术的有益技术效果是：
53、针对传统粗糙度测量时仅对巷本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤a中：所述三维激光扫描仪的扫描精度为0.01m；控制测站间距为15m，使每个测站之间的扫描数据有30％以上的重叠区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤b中：将点云数据保存为.txt格式；所述点云处理软件为CloudCompare；所述巷道断面形状有圆形、梯形、矩形和拱形。
4.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤c中，拟合步骤如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，拟合步骤中涉及到的拟合公式分为圆形断面和非圆形断面两种；
6.根据权利要求4所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，最小二乘法计算公式为：
7.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展
8.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤c和步骤d中：所涉及公式通过C++语言编制为脚本，通过CloudCompare点云处理软件实现巷道粗糙表面自动展开。
9.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤e中：采用CloudCompare点云处理软件的旋转、平移功能，将展开后的巷道顶板、壁面、底板拼接为完整的巷道展开粗糙面。
10.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，还包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤a中：所述三维激光扫描仪的扫描精度为0.01m；控制测站间距为15m，使每个测站之间的扫描数据有30％以上的重叠区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤b中：将点云数据保存为.txt格式；所述点云处理软件为cloudcompare；所述巷道断面形状有圆形、梯形、矩形和拱形。
4.根据权利要求1所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，步骤c中，拟合步骤如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于坐标转换的巷道粗糙表面三维点云展开方法，其特征在于，拟合步骤中涉及到的拟合公式分为圆形断面和非圆形断面两种；
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