露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件在采剝量驗收中的應用

焦步青，李繼鵬

（中煤平朔集團有限公司 地質(zhì)測量中心，山西 朔州 036000）

隨著航測無人機、三維激光掃描儀等以三維空間信息的實時獲取手段為主的測繪新技術在露天礦采剝量驗收工作中的快速推廣應用，由此產(chǎn)生的海量點云數(shù)據(jù)的處理及應用已成為制約該技術后續(xù)推廣應用的關鍵因素，傳統(tǒng)以點、線數(shù)據(jù)為主要處理對象的二維數(shù)據(jù)處理及計量方式在數(shù)據(jù)容量、處理方式、處理速度上已遠遠不能滿足點云數(shù)據(jù)的處理需求。而如何在不增加外業(yè)工作強度的前提下，快速實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的去噪、精簡、合并、存儲、管理，進而建立基于點云數(shù)據(jù)的符合露天礦特殊地形條件的三維地表模型，并利用三維點云數(shù)據(jù)結合采剝過程的空間關系實現(xiàn)立體計量已成為露天礦點云數(shù)據(jù)的后續(xù)應用方向[1-2]。為此，以中煤平朔安家?guī)X露天礦采剝量驗收工作為例，基于三維激光掃描儀及航測無人機采集的露天礦點云數(shù)據(jù)，從點云數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、采剝量計算及統(tǒng)計報表等方面全面闡述了大型露天礦三維點云一體化管理軟件在露天礦采剝量驗收工作中的應用。

1 露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件

露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件是中煤平朔集團與華測導航共同合作研發(fā)的一款專為露天礦采剝和監(jiān)測一體化三維數(shù)據(jù)處理的軟件。主要是應用露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件中露天礦采剝?nèi)S數(shù)據(jù)處理及計量部分[3-4]，主要功能包括：①支持數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、導入、導出、編輯、操作等的三維點云和模型數(shù)據(jù)的基礎操作模塊；②支持點云數(shù)據(jù)的多種自動化過濾和去噪，并支持自動化分類、精簡、壓平、補空等，同時支持三維點云構網(wǎng)及生產(chǎn)網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)處理模塊；③針對三維點云數(shù)據(jù)的采剝量自動計算及統(tǒng)計模塊。

2 工作流程

采用大型露天礦三維點云一體化管理軟件，從新建項目-建立工期-點云處理-確定工程范圍-采剝量計算進行了露天礦點云數(shù)據(jù)的全過程處理，點云處理及計量流程如圖1。

圖1 點云處理及計量流程

2.1 工期建立

1）建立目的。在露天礦采剝過程中往往采用分層開采方式進行，且不同屬性的采剝物料所采用的開采設備不同，在一個驗收周期內(nèi)，同一區(qū)域可能存在多個設備、多種物料的分層作業(yè)。為了能夠快速、準確完成采剝工程量的計算、且杜絕數(shù)據(jù)的重復或丟失，引入了以采剝空間關系為主要因素的工期概念。該工期概念的引入，不僅使得在同一項目中各工期之間建立了相互關聯(lián)的關系（即每期最終整理形成的采剝后點云數(shù)據(jù)均作為下一期的起始數(shù)據(jù)），且滿足了數(shù)據(jù)及計算過程的可追溯性。

2）新建工期。在進行點云數(shù)據(jù)處理及后續(xù)各項工作前，首先應根據(jù)空間關系建立工期，各工期中導入的點云數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)采集時間無關，僅與點云產(chǎn)生區(qū)域的開采順序有關，本次共建立4 期。

2.2 點云的管理

1）點云數(shù)據(jù)的特點。露天礦點云采集的主要方式為三維激光掃描儀及航測無人機，上述方法所采集到的點云數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為海量空間無組織的離散點云形式。

2）點云數(shù)據(jù)的管理方式。為了能夠高效支持海量數(shù)據(jù)的多細節(jié)層次瀏覽、查詢、量測，并為離散點數(shù)據(jù)后期的噪點去除、采樣、著色、數(shù)據(jù)合并和分割等操作處理提供良好的支撐，實現(xiàn)海量離散點數(shù)據(jù)的高效管理和分析，軟件引入了點云八叉樹劃分[5－6]的思想，對點云所處的空間區(qū)域劃分為具備八叉樹結構的立方體，點云中的每個點由三維坐標來確定的對應立方體及其父節(jié)點和子節(jié)點，并利用八叉樹結構層次關系，建立點的鄰域關系。在完成了八叉樹空間分割之后，三維散亂數(shù)據(jù)點就全部存放在八叉樹的葉結點中，并可根據(jù)立方體結點的編號確定出父結點和兄弟結點，從而實現(xiàn)快速索引展示。

3）動態(tài)調(diào)度與繪制機制。對于點云數(shù)據(jù)量處于百萬級到千萬級甚至更高級的點云數(shù)據(jù)，基于計算機內(nèi)存以及渲染限制，為了實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時動態(tài)調(diào)度，通過動態(tài)調(diào)度引擎采用前向投影算法根據(jù)觀察視點進行八叉樹節(jié)點的動態(tài)調(diào)度以實現(xiàn)點云的多細節(jié)層次瀏覽。

2.3 點云的處理

受露天礦開采方式的影響，在露天礦區(qū)采用站載激光數(shù)據(jù)解算生成的點云數(shù)據(jù)往往存在噪聲等問題，這些噪聲主要存在空氣噪點多、運行設備多、灑水及積水區(qū)域反射及折射噪點多等特點。上述噪點是影響點云質(zhì)量及采剝量計算準確性的主要因素，是點云數(shù)據(jù)中必須進行處理的部分。就噪點來看，傳統(tǒng)的去噪方式是在點云生成的三維立體模型上[7-8]，人工對高于或低于實體的噪點進行去除。該方式不僅耗時高，漏刪的情況比較普遍，是制約點云數(shù)據(jù)應用于露天礦的關鍵要素。

為解決上述問題，盡量減少點云處理過程中的工作量，實現(xiàn)快速、準確、多種方式的點云處理，最終滿足露天礦采剝量計算工作的要求，在軟件中將該部分內(nèi)容作為重點進行了開發(fā)，實現(xiàn)了針對不同現(xiàn)場情況的自動化去噪。

1）針對空氣噪點及遠離實體噪點的去噪。該部分噪點具有偏離主體點云數(shù)據(jù)、孤立、稀疏、成簇、與主體點云分層、無序等特點。

2）針對作業(yè)設備的去噪，該部分噪點具有偏離主體點云數(shù)據(jù)、孤立、有序、附著于主體點云之上等特點。

經(jīng)過一系列自動化去噪過程后，實測點云數(shù)據(jù)即能達到真實反映被測物體現(xiàn)狀的目的，進而進入計量環(huán)節(jié)。

2.4 采剝量計算及統(tǒng)計

在露天礦采剝量計算過程中，工程變化區(qū)域范圍的確定是影響采剝量計算準確性的另一個重要因素。故在完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，采剝量計算的主要工作集中為工程變化范圍的確定、工程物料屬性及作業(yè)設備的確定。

1）工程變化范圍的確定。工程變化范圍的確定主要是在外業(yè)調(diào)繪的基礎上，依據(jù)開采前、后點云模型進行確定。工程變化范圍確定的基本原則為自開挖前坡頂至開挖后坡底，并結合現(xiàn)場自然分界及調(diào)繪邊界確定。

2）工程變化范圍附屬性。在傳統(tǒng)的采剝量計量過程中一般不會對工程變化范圍所代表的屬性進行記錄，當采剝量計算工作結束后，如需對不同作業(yè)設備或不同類型采剝量進行分類統(tǒng)計時，必須由人工進行篩查累加，不僅工作量大而且極易發(fā)生統(tǒng)計錯誤。為解決上述問題并便于后期備查，軟件在工程變化范圍確定后，對各工程變化范圍對應區(qū)域的作業(yè)設備、測量日期、所屬平盤、巖土類型、經(jīng)營類型等信息進行了備注，屬性備注后，工程變化范圍將根據(jù)屬性信息進行渲染。

3）工程變化區(qū)域數(shù)據(jù)更新。在確定了工程變化范圍后，為防止數(shù)據(jù)未更新導致同一區(qū)域重復計量的問題，將數(shù)據(jù)更新工作置于計量工作前期開展，主要是利用新采集的點云數(shù)據(jù)對對應工程變化范圍內(nèi)的礦坑歷史數(shù)據(jù)進行一鍵更新，并形成新的礦坑點云數(shù)據(jù)。點云更新過程及更新前、后對比界面如圖2。

4）采剝量計算。利用歷史礦坑點云數(shù)據(jù)、新礦坑點云數(shù)據(jù)及工程變化范圍，對所有工程變化范圍產(chǎn)生的采剝量進行一鍵計算。

5）采剝量統(tǒng)計。由于在前期計算過程中，已經(jīng)對所有工程變化范圍進行了屬性賦值，故在計算過程完成后，可根據(jù)作業(yè)類型、作業(yè)設備、物料屬性等不同條件進行統(tǒng)計。

3 結語

隨著航測無人機及三維掃描技術在露天礦的推廣應用，基于點云數(shù)據(jù)的建模及采剝量計算已逐步成為主要的工作方式。通過建立高效的索引存儲結構，不僅可以提高空間查詢速度，還可以節(jié)省存儲空間并為后期點云數(shù)據(jù)處理提供基礎，同時通過對點云數(shù)據(jù)處理及采剝量計算、統(tǒng)計過程的定制、規(guī)范及簡化，極大了降低了內(nèi)業(yè)工作強度、提供了工作效率，且解決了數(shù)據(jù)存儲不規(guī)范、記錄不規(guī)范等問題導致的備查難等問題。