基于點云數據的露天礦坑特征線自動生成方法的應用

袁睿棟 楊新鋒 王 磊 李思齊

(1.長沙迪邁數碼科技股份有限公司；2.剛果科米卡礦業簡易股份有限公司)

三維激光掃描和無人機航拍技術作為一項新興的測繪技術，是繼GPS技術之后在測繪領域的又一次技術革命[1]。由于具有安全系數高、功能多樣化、精度高、靈活性強、高度集成等特點，已經被越來越多礦山關注和引進。

無人機航測和三維激光掃描技術實現了露天礦精確地形信息數據快速采集，其成果通過相應處理軟件(ContextCapture、PIX4D、Smart3D、photoscan、山維EPS等)將DOM正射影像和DEM鑲嵌生成高分辨率、高精度的DSM點云數據[2]。

目前露天礦DSM數據主要應用于地形圖繪制、三維DEM建模、測量驗收和邊坡變形監測等方面，應用于設計和生產管理較少。主要原因在于露天礦采礦設計、計劃編制、區塊設計、爆破設計、礦塊劃分等業務均以露天礦坑臺階和道路坡頂底線等主要特征線為支撐。國內外關于點云數據特征提取做了大量研究，有基于點云數據分類插值自動生成高程特征點[3]，有通過濾波和點云聚類法實現道路點云的提取[4]，有通過Canny邊緣檢測算法提取建筑物邊緣[5]，也有相應軟件如polyworks、CASS等提供了多種提取幾何體特征方法，如線纜追蹤、顏色追蹤、邊緣追蹤和階梯邊緣追蹤等。關于露天礦坑主要特征線提取的研究比較少，目前提取手段主要是依據DSM模型手工繪制，存在時效性低、工作量大等問題，制約了DSM數據在露天礦的深層次應用。

本文提出基于露天礦坑點云數據的臺階和道路坡頂底線自動生成方法，為露天礦設計和生產管理提供高效、可靠的數據支撐。

1 露天礦坑點云DEM模型構建

傳統上，露天礦現狀地表DEM模型構建主要是利用全站儀、RTK等測量手段形成的測點數據和現場測量素描記錄，手工描制形成臺階頂底線和道路線等。以高程點、臺階頂底線和道路線等數據進行露天礦坑DEM建模。

基于無人機航測和三維激光掃描的DSM點云數據構建露天礦坑DEM模型，通過對點云數據去噪、抽稀、均化等處理，進行露天礦坑DEM模型生成，見圖1。

圖1 露天礦坑DEM模型

2 基于DSM點云自動提取礦坑特征線

地形圖測量DSM數據主要提取等高線、高程點、道路和主要構筑物，研究重點在于構筑物特征線和特征點的提取[6]。而露天礦坑有其特有的構成結構，從幾何構成來說分成臺階面、平臺、道路面、道路坡面4類。根據露天礦現狀DEM中三角網的特點，道路坡面、臺階面的三角網傾角會有明顯的區分。DEM模型按三角網傾角著色，見圖2。

圖2 DEM模型按三角網傾角著色示意

結合巖石或巖體穩定性條件，露天礦臺階設計坡面角一般取值范圍在50°～75°，實際臺階坡面角一般要小于設計值。通過對露天礦坑點云DEM模型三角網傾角分布規律分析，其整體分布特征均呈多峰分布，臺階坡面、道路和平臺面坡度分界的臨界值一般在30°，可以作為三角網過濾閾值，這也僅屬于露天礦坑和排土場獨有的特點。

針對露天礦坑DEM數據分類特點，提出根據傾角篩選三角網進行臺階面和道路面分離的方法，見圖3。

圖3 點云數據提取露天礦坑特征線流程

DEM模型三角網傾角計算原理見圖4，計算流程如下：

(1)建立DEM模型的三角網。

(2)提取各個三角網的3個頂點坐標。

(3)通過頂點坐標計算出該三角網的法向量N→,由3個頂點坐標P1(x1、y1、z1)，P2(x2、y2、z2)，P3(x3、y3、z3)可以求出該平面的2個交叉向量A→(a,b,c),B→(d,e,f)，其中，a=x3-x1，b=y3-y1，c=z3-z1，d=x2-x3，e=y2-y3，f=z2-z3；由3個頂點坐標可以求出該平面的2個交叉向量A→(a,b,c),B→(d,e,f),由于法向量N→(x,y,z),與該平面的2個向量點乘為零，可列出方程

令z=1，可以解出x,y，進而求出法向量N→。

(4)計算N→與Z軸的傾角，得到β。

(5)得到該面片的傾角γ(90°-β)，且β=α。

(6)設置給定的傾角閾值約束，應用此法提取DEM模型中所有小于該傾角值的三角網。

(7)對篩選出的三角網，應用輪廓線提取函數提取出坡頂底線。

(8)由于點云數據的復雜性，僅依據傾角閾值自動提取出露天坑特征線，會存在孤立閉合線、折角、過密等，通過對特征線過濾、抽稀、清理異常等處理，去除空間重疊，進一步滿足工程要求。見圖5。

圖4 三角網傾角計算示意

圖5 自動提取露天礦坑特征線優化

3 工程應用

3.1 測量內業處理

目前許多測量內業處理軟件(山維EPS)提供了基于DSM模型提取高程點和生成等高線功能[7]，為地形圖繪制提供了很大便利。大型露天礦或臺階多時則內業作圖工作量非常大，而通過露天礦坑特征線自動提取則可以大幅提升測量內業處理效率。見圖6。

圖6 點云數據露天礦坑特征線自動提取

3.2 采礦設計優化

露天開采境界三維設計已成為主流，礦山單位在只有境界設計模型情況下，要進行設計修改或優化，必須先提取出設計境界臺階和道路坡線。上述手段可自動完成提取以支撐設計優化。見圖7。

圖7 設計模型臺階坡頂底線自動提取

3.3 采剝進度計劃編制

無論是采用傳統手工編制還是應用三維礦業軟件編制露天礦采剝進度計劃[8]，其核心是通過對計劃線(開采范圍邊界線)、臺階坡頂底線的操作完成采掘帶圈定、斜坡道設計等，結合礦塊模型，進行礦巖量、品位、剝采比計算和調整。所以只有實現露天礦坑特征線自動提取，才可以將DSM數據與采剝計劃編制、斜坡道設計工程應用有效銜接。見圖8。

圖8 露天采掘帶圈定

3.4 爆破設計

自動提取露天礦特征線可以定義爆區范圍，利用三維礦業軟件進行臺階炮孔布置、預裂孔布置、起爆網絡設計和爆破模擬分析等[9]。以露天礦點云DEM為約束進行爆破設計，所布炮孔孔口均會落在DEM面上，孔口高程位置更精確，結合鉆機精確定位技術，可以實現孔深精確控制[10]，為露天礦山爆破質量提升提供了技術支撐。見圖9。

圖9 露天爆破設計

4 結 論

本研究在對露天礦點云DSM數據特點分析基礎上，提出以三角網傾角閾值分離露天坑DEM與自動提取露天坑主要特征線的方法，并在DIMINE軟件中開發實現。露天礦臺階和道路坡頂底線等主要特征線的自動提取實現了點云數據與三維礦業軟件在露天礦采礦設計、區塊劃分、計劃編制、爆破設計等工程應用銜接，可大幅提升工作效率。鑒于無人機傾斜攝影、三維激光掃描技術先進性以及礦山的廣泛需求，該技術的研究對于露天礦數字礦山建設與精細化管理具有重要現實意義。