基于三維激光掃描技術(shù)爆堆體積測量與計算

劉士彪, 王玉良, 羅 洵, 程浩杰

（1.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 上饒 334000）

1 引言

在金屬礦山的開采中，受開采設(shè)備，爆破技術(shù)以及現(xiàn)場工作人員等不確定因素的影響，容易造成爆堆周邊欠挖，導(dǎo)致大量的礦石丟失，極大影響礦山的經(jīng)濟效益和開采壽命。因此，在礦山開采中爆堆體積驗收測量與計算是一項重要的日常工作。傳統(tǒng)的測量技術(shù)對爆堆體積測算精度較低，會影響礦石的回收率，隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，逐步成為空間數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)手段，將三維激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用在爆堆體積計算中［1]，相對于傳統(tǒng)方法，更快速、高效、操作簡單。爆堆體積的計算精度與礦山資源回收密切相關(guān)，間接影響礦山采收率、礦石回收率和綜合利用率，影響礦山的可持續(xù)發(fā)展。

2 爆堆體積量算原理

爆堆體積測量計算的目標求取一定范圍內(nèi)礦石的體積差，而其關(guān)鍵在于爆前現(xiàn)狀和爆后爆堆地形的表達。三維激光掃描儀具有快速性、不接觸性、動態(tài)等特性，可以大面積快速高分辨率地獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。因為爆后爆堆地形是無態(tài)、不規(guī)則的，傳統(tǒng)的測量方法不能準確的表達出來爆堆形態(tài)，三維激光掃描儀每次可以快速獲取幾十萬個爆堆表面的特征點，能夠細致的描述爆堆面變化情況，構(gòu)建精細的爆堆模型，計算出準確的爆堆礦方量。它特別適用于測算體積在動態(tài)變化的礦堆，能夠動態(tài)監(jiān)測出準確的礦石方量的變化量［2]。基于三維激光掃描儀的爆堆體積量測，即利用激光測距原理［3]，通過計算脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距離目標的斜距，然后用同時記錄的激光光束的水平角和垂直角度來求解物體表面上激光光斑的三維坐標，同時記錄激光點的反射強度值。基于獲取爆堆表面海量點云進行點云配準、去噪、空洞修補和三維建模等一系列的操作，即可求取爆堆體積［4]。

3 爆堆體積量算流程

三維激光掃描爆堆體積計算主要分為爆堆點云數(shù)據(jù)獲取、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析與計算三大步驟，其中爆堆點云數(shù)據(jù)獲取部分包括控制點的選擇、三維點云的采集和全站儀測量站點坐標獲取等；點云預(yù)處理包括點云配準、去噪、抽稀、剔除大型機械、點云空洞的修補、爆堆裁剪和構(gòu)建爆堆三維模型；數(shù)據(jù)分析與計算包括爆堆邊界輪廓線提取、爆堆體積計算和體積對比驗證。具體流程如圖1所示。

圖1 爆堆體積計算流程圖

4 工程實例

德興銅礦位于德興市北東68°方向直距約18km，屬于德興市泗洲鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)有公路直通德興市，行程25km；有鐵路與皖贛鐵路樂平站相通，行程68km，交通方便。礦區(qū)比較大，采用多臺階分區(qū)開采，臺階高度平均15m；礦山大型機械較多，開采量大，日采規(guī)模能力達13萬t。本次研究采用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀進行爆堆表面點云數(shù)據(jù)的獲取。爆堆區(qū)共設(shè)6個三維激光掃描站點，同時，采用徠卡全站儀獲取三維激光掃描站點的絕對位置，來配合解決三維激光掃描多站點云數(shù)據(jù)配準問題。通過對獲取的爆堆點云數(shù)據(jù)進行配準、去噪、抽稀、裁剪、三角網(wǎng)構(gòu)建和建立爆堆的三維模型，進而精確求取爆堆體積和表面積。

4.1 數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描時，采用的基本流程：

（1）掃描站的選取。綜合考慮盡量選取最少的掃描站實施激光點云數(shù)據(jù)獲取，而且盡可能要保證整個爆堆點云數(shù)據(jù)的覆蓋。

（2）掃描站點絕對坐標的獲取。使用全站儀采用后方交會進行獲取站點的絕對坐標，將多站點云數(shù)據(jù)配準整合形成完整的爆堆點云數(shù)據(jù)，進而轉(zhuǎn)換到礦山坐標系下。

（3）掃描儀參數(shù)設(shè)置。為了具有對比性，所有測站均設(shè)定為相對同的三位激光掃描參數(shù)，即水平和垂直方向掃描密度0.004m,視角范圍90°～270°，單站掃描時間3.5min。

4.2 點云預(yù)處理

激光點云預(yù)處理主要包括點云配準、點云去噪、剔除大型機械、點云抽稀、構(gòu)建爆堆的三維模型和爆堆體積計算等操作。

（1）點云配準。主要是將三維激光掃描儀的工程坐標系轉(zhuǎn)換到礦山坐標系下。采用基于控制點坐標進行配準，直接利用Riegl三維激光掃描儀自帶Riscan Pro軟件，導(dǎo)入全站儀測得掃面站點的絕對坐標進行多站點云配準［5-7]。如圖2所示

（2）點云裁剪及噪點和大型機械剔除［8]。由于數(shù)據(jù)是整體掃描沒有框選范圍，導(dǎo)致會產(chǎn)大量冗余的數(shù)據(jù)，采用創(chuàng)建Polydata進行裁剪，這樣既保留了原始數(shù)據(jù)提取出了爆堆有用的數(shù)據(jù)，Polydata點云數(shù)據(jù)含有反射率屬性，根據(jù)反射率大小設(shè)置閾值進行噪點去除。

圖2 基于控制點的多站配準

（3）大型機械設(shè)備剔除。運用Terrain filter 命令，在設(shè)置最小物體進行剔除。使用Surface Comparison命令對比點云數(shù)據(jù)與粗糙的網(wǎng)格模型進行比較，即可剔除大型機械設(shè)備。圖3、圖4對比如下：

圖3 未剔除大型機械

圖4 剔除大型機械

4.3 三維建模

利用Riscan Pro平臺對點云數(shù)據(jù)進行三維模型的建立步驟如下：

（1）在三維Riscan Pro軟件中對需要三角化的點云進行選取；

（2）使用三角化工具對點云三角化的參數(shù)進行設(shè)置，其參數(shù)包括最大邊長，最大傾角，最小內(nèi)角，通過對其參數(shù)不斷調(diào)整，獲得三角化的表面模型；

（3）最后對三維模型進行光順和平滑。

4.4 爆堆體積計算

基于爆堆三維模型建立的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個基準面，選中 DEM 模型數(shù)據(jù)，點擊 （measure volume&surface area）按鈕，在接下的窗口中CALCULATION MOOD 下勾選 Raster+triangulation,在 OUTPUT 中勾選 volume 與 Surface area,緊接在PARAMETERS 的 Reference plane 中選擇創(chuàng)建的基準面，同時勾選 Create volume(s) as triangulated mesh，Raster size(m)中設(shè)置光柵大小（根據(jù)點云密度），點擊 OK。

4.5 對比分析

用Riscan Prosan三維建模計算體積與礦山用的礦量量算軟件用南方CASS進行對比分析。通過用全站儀和三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)分別構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，設(shè)置開挖高程面，得到TIN和DEM，進而進行體積計算。

傳統(tǒng)軟件Cass進行爆堆體積計算和三維激光掃描方式均以臺階高度作為基準面，計算得到爆堆體積計算如圖5、圖6所示。

圖5 cass構(gòu)建的TIN

圖6 Riscan Pro構(gòu)建的DEM

從獲取爆堆表面的數(shù)據(jù)個數(shù)指標上來看，全站儀采集的點數(shù)就200多個，而地面三維激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)上百萬個；從數(shù)據(jù)獲取的時間指標上來看，全站儀采集數(shù)據(jù)所用時間為3h，是地面三維激光掃描儀的3倍；從效率指標對比來看，采用地面三維激光掃描方式內(nèi)外業(yè)所用時間1h，遠遠低于全站儀數(shù)據(jù)采集處理時間，大大提高了作業(yè)效率，節(jié)省了人力成本。

表1 爆堆量算指標統(tǒng)計表

從計算結(jié)果上來看，若以南方CASS軟件計算的為參照，通過點云三維建模的方式得到的爆堆體積誤差為1.21%，小于3%，符合工程測量規(guī)范要求。因為礦區(qū)地形復(fù)雜多變，大型機械比較多，為了安全考慮，有些爆堆難以到達，相比于傳統(tǒng)的全站儀測量方法，地面三維激光掃描儀的優(yōu)勢更加突出。

5 結(jié)束語

本文所用的方法大大提高了測點的速度和密度，實際測量中，三維激光掃描儀的掃描間距達到毫米級，增加了測點密度。RieglVZ-1000 三維激光掃描儀掃描速度300000點/s，每一站掃描約3min，大大提高了測量速度。從采集的點數(shù)、作業(yè)時間、投入的人力等指標對比了地面三維激光掃描與傳統(tǒng)的測量方法在爆堆體積測量與計算的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，地面三維激光掃描方式效率高、工作時間短、人力投入少，而且爆堆體積精度滿足工程測量的規(guī)范。地面三維激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)不僅僅用于爆堆體積的計算，還可以解決礦區(qū)地形測量、鉆孔布置、礦區(qū)開采設(shè)計等問題。避免重復(fù)測量工作為建成數(shù)字化、信息化、智能化礦山提供了一種新的技術(shù)手段。