利用激光點云數據計算采石場開采量方法研究

謝宏全，徐瑞基，龍 輝，盧 霞，王 晨

(1.淮海工學院 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇 南京 210007)

利用激光點云數據計算采石場開采量方法研究

謝宏全1,2，徐瑞基1，龍 輝3，盧 霞1，王 晨4

(1.淮海工學院 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學勘查與海洋地質調查研究院，江蘇 南京 210007)

采石場開采量計算，由于傳統測量方法存在獲取數據量少、精度低、復雜地形獲取數據困難等問題，利用激光點云數據計算采石場開采量具有重要的研究意義。選擇李莊采石場作為研究對象，利用徠卡C10獲取點云數據，運用Cyclone軟件對點云數據進行預處理，Geomagic軟件對預處理數據進行精簡。采用Cyclone，HD-3LS-SCENE,CASS軟件對開采量分別進行計算，詳細對比分析計算結果。研究結果表明：三種軟件可滿足工程需要。Cyclone軟件計算精度最高，CASS軟件操作快捷方便。根據軟件多種性能指標的對比研究，確定采石場開采量行之有效的計算方法。

點云數據；Cyclone；采石場；開采量；精度

利用三維激光掃描技術可以獲得高密度點云數據進行體積計算，解決了復雜礦山開采與儲量的測量精度問題。近年來國內一些學者進行了相關研究，主要成果：任恒星[1]針對采用拓普康IS影像三維掃描全站儀獲取高精度的激光點云數據構造不規則三角網計算土方量的方法進行了試驗研究；蘇春艷等[2]采用Lecia HDS ScanStation2以工程堆積的垃圾為實例，對堆積物體積計算的流程與方法進行了研究；張榮華等[3]研究表明：基于三維激光掃描技術的土方量算滿足精度要求，給出了在土方量算應用中的相關定量指標。目前采用地面三維激光掃描技術針對采石場的開采量變化研究非常少，計算方法也不太相同。本論文的研究目的在于尋找一種比較好的計算方法，利用徠卡C10獲取李莊采石場的點云數據，采用Cyclone與Geomagic軟件處理數據，利用Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS軟件求取采石場開采量并對計算結果進行對比分析。

1 研究區概況與點云數據獲取

1.1 研究區概況

李莊采石場位于連云港市連云區云山街道辦事處李莊村李莊水庫北側，采石場道路交通便利，西側有連霍高速公路和隴海鐵路，南側有一個水庫。采石場是一座孤立的礦山，比較空曠，行人和車輛經過較少。由于開采的緣故，導致采石場地貌形狀不規則, 地面起伏比較大，裸露斷面巖石表面樹木和雜草較少(見圖1)。

圖1 采石場斷面外觀

1.2 點云數據獲取

2006年江蘇萬源測繪地理信息有限公司RTK方法測繪1：2000地形圖記錄2006年以后采石場開采量的詳細數據。為了達到掃描的目的和精度要求，結合李莊采石場的環境和地形本身復雜的結構特點，徠卡C10掃描儀獲取數據的特點，決定采用全站儀模式對采石場進行掃描[4]。

為了保證前后兩期坐標的一致性，兩期數據都是利用江蘇CORS系統，利用RTK測量控制點坐標。根據采石場的地形和范圍，2015年11月17日，由江蘇萬源測繪地理信息有限公司利用RTK測量三個控制點的坐標數據，根據地形情況，將掃描路線設置為閉合導線[5]，共有導線點12個，每站架設儀器進行掃描，采用中等分辨率[6](10 cm/100 m)，每站操作時間大約為30 min，大約測量7 h完成采石場的數據采集工作。

2 點云數據預處理

2.1 噪聲處理與范圍的統一

將掃描的激光點云數據導入徠卡C10隨機數據處理軟件Cyclone8.0[7-9]，對軟件自動拼接的點云數據進行質量檢查，證明點云數據完整可用。利用軟件去噪功能，通過放大與旋轉操作，對研究區域外點云粗略刪除[10-11]。

計算采石場開采量利用RTK測量的數據與三維激光掃描的點云數據進行對比，在進行數據處理時，要保證兩者范圍的一致性，主要以2006年地形圖數據為基準，利用CASS軟件確定范圍邊界線，將處理后的數據保存為txt格式文件，再導入Cyclone軟件，刪除研究區域范圍以外的點云數據。

2.2 點云數據均一化處理

為了與2006年地形圖數據精度上大致保持相同，對三維激光掃描的數據進行抽稀處理。在Cyclone軟件中，對點云數據進行均一化處理。為了與傳統方法保持精度基本一致，便于數據間的研究對比，確定點云間隔為5 m進行點云均一化處理(見圖2)。

圖2 點云數據均一化處理結果

2.3 點云數據的精簡

利用Cyclone軟件對點云數據去噪處理后，點云數據仍然存在一些噪聲點、體外孤點等影響點云質量的因素，可以采用Geomagic軟件進行點云數據的精簡[12]。將Cyclone軟件處理得到的結果保存為xyz格式文件，在Geomagic軟件進行數據精簡的主要過程[13-14]：“數據導入—點云數據著色—去除體外孤點及非連接項—減少噪音—數據采樣—數據封裝”，將處理后的數據保存為vtx格式文件。

3 采石場開采量的計算

根據相關研究文獻，可以采用不同軟件計算采石場開采量。本研究選擇Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS三種軟件求取采石場開采量，以精簡后的點云數據為數據源，對三種軟件求取開采量的方法做簡要介紹。

3.1 Cyclone軟件求取開采量

Cyclone軟件是徠卡三維激光掃描儀的配套軟件，具有處理點云數據與建模的功能。 依據Cyclone軟件提供的計算體積的功能，不能將兩期的數據直接進行疊加求差值，需要分別計算每期的體積，然后求差，差值即為采石場開采量[15]。

Cyclone軟件求取體積的主要技術：將Geomagic精簡處理后的vtx格式文件后綴修改為txt格式，然后打開文件，選擇所有點云數據，創建TIN模型[16-17]；執行“Tool—measure—TIN Volume”命令，軟件自動計算點云到參考面的挖方量和填方量，其中挖方量(Cut Volume)為1 252 641 m3即為計算開采量所需要的數據。

因為兩期數據計算挖方量的差值為開采量，要求取2006年數據的挖方量，因為提供的2006年的數據文件格式是dat格式，將dat格式的文件轉換為txt格式，再導入Cyclone軟件，按照以上方法，計算挖方量為1 006 949 m3，將兩期的挖方量求差值即為采石場開采量，將計算結果填入表1中。

3.2 HD-3LS-SCENE軟件求取開采量

HD-3LS-SCENE軟件是武漢海達數云技術有限公司自主研發的點云數據處理軟件，該軟件支持點云渲染、點云選擇、量測分析、堆體體積計算。此次研究主要是根據需求以及數據的密度，設置網格大小，求取每一期堆體體積，然后做差，差值即為采石場的開采量。

HD-3LS-SCENE軟件主要技術思路：將Geomagic精簡處理后的vtx格式文件后綴修改為txt格式，再用Cyclone軟件打開，保存為xyz格式文件。利用HD-3LS-SCENE打開導入經Cyclone軟件處理后的xyz格式文件，保存為hls文件，再打開hls格式文件，轉換為proj.hls格式文件，通過軟件加載proj.hls格式文件，點擊菜單中“點云分析”設置投影點云參數生成DEM，求取體積，3D體積587 288 m3即為求取的體積。

將2006年dat格式的數據利用Excel表格處理轉換為txt格式文件，再導入Cyclone軟件，然后保存為xyz格式文件，按照上述求取體積的步驟求取2006年地形圖數據的體積，結果為342 501 m3，兩期體積差值為采石場開采量，計算結果填入表1中。

3.3 CASS軟件求取開采量

CASS軟件是南方數碼科技股份有限公司基于CAD平臺開發的一套集地形、地籍、空間數據建庫、工程應用、土石方量算等功能為一體的軟件系統。CASS提供了多種土方計算方法，對不同工程條件可靈活地采用合適的土方計算模型[18]。

CASS軟件主要技術思路是：將Geomagic精簡保存的5 m抽稀點云數據vtx格式文件后綴修改為txt格式，再利用Excel表格將txt格式文件轉換為dat格式文件保存，利用CASS軟件打開dat格式文件，將數據轉換為jws格式文件，根據江蘇萬源測繪地理信息有限公司提供的2006年dat格式文件，利用CASS軟件將數據轉換為jws格式文件。

在CASS軟件選擇DTM法計算兩期土方[19]，利用兩期三角網文件系統計算土方量，填方量247 736 m3即為求取的開采量，將結果填入表1中。

4 開采量統計與分析

4.1 開采量結果統計

三種軟件求取的采石場開采量及相應的數據處理如表1所示，其中VCY，VHD，VCA分別為Cyclone，HD-3LS-SCENE，CASS三種軟件求取的開采量。V為開采量的平均數，△VCY，△VHD，△VCA分別為三種軟件求取的開采量與開采量平均數之差取的絕對值。△VCY/V，△VHD/V，△VCA/V為三種軟件計算結果與平均數之差與平均數的比值。VRTK為2015年利用RTK測量的數據在CASS軟件中求取的開采量。

表1 開采量計算結果統計

4.2 開采量計算結果分析

針對以上計算結果，從計算開采量的技術可行性、計算的精度、軟件操作的難易程度等方面進行對比分析，三種軟件性能分析結果如表2所示。

針對三種軟件的性能及計算開采量結果的精度，詳細的對比分析闡述如下：

1)Cyclone軟件。Cyclone軟件是具有較高知識產權的隨機數據處理軟件，普通用戶獲取難。該軟件的界面與軟件說明書都是英文的，如果沒有專門的培訓或相關人員的指導，軟件使用上比較困難。操作步驟比較繁瑣，軟件功能比較強大，能夠計算采石場開采量。由表1數據統計看出：Cyclone在計算開采量方面誤差較小。對比三種軟件可知：Cyclone軟件在求取開采量方面精度最高，滿足工程測量需要。

表2 軟件性能對比結果

2)HD-3LS-SCENE軟件。HD-3LS-SCENE軟件在獲取方面比較困難，正版軟件花費較高，軟件試用期都是短暫的。軟件操作上比較復雜，計算時間需要40 min，在三種軟件中計算速度最慢。在精度方面，由表2統計結果看出：相比于其他兩個軟件，在相同的條件下，精度最低，因此在對精度要求不是很高的情況下，能夠使用HD-3LS-SCENE軟件計算開采量。

3)CASS軟件。該軟件運用比較普遍，能夠識別多種格式的數據文件。該軟件操作簡單快捷，在短時間內求取土方量，而且在求取兩期土方量的過程中，實現一步到位，減少了后期大量的手工計算。在計算精度方面，由表2統計結果看出：CASS軟件獲取較高的精度，所以在精度要求不是很高的情況下，CASS軟件能夠快速求取體積，作為優先考慮的軟件。

5 結束語

通過對李莊采石場2006—2015年間開采量計算結果表明：利用激光點云數據的采石場開采量計算技術可行、精度滿足工程需要。Cyclone軟件使用難度大，但是操作簡單，計算結果精度較高；HD-3LS-SCENE操作復雜，計算時間長，計算精度一般，可以滿足不同要求的需要。激光點云對于開采量的計算具有一定的應用前景，如果獲取多期的點云數據，計算結果的精度能得到較大提高；CASS軟件操作簡單，計算時間短，計算精度滿足多數工程的需要。

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[責任編輯：李銘娜]

A method of calculating exploitation amount of quarry based on laser point cloud data

XIE Hongquan1,2, XU Ruiji1,LONG Hui3, LU Xia1，WANG Chen4

(1.School of Geomatics and Marine Information,Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 2.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinfomation, Qingdao 266590,China；3. Jiangsu Wanyuan Mapping Geographic information Co., Ltd., Lianyungang 222001, China;4.Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey,ECE,Nanjing 210007,China)

As to calculating the amount of quarry exploitation, there are some disadvantages for traditional methods such as small data volume, low accuracy, and difficult access to data for complex topography. Comparatively, using laser point cloud data exploitation of quarry is of great significance. Lizhuang quarry is chosen as the object of study, then the point cloud data is obtained by using Leica C10, and the cloud data is preprocessed by Cyclone software, for which the data is compressed by Geomagic software. Then, the exploitation amount of quarry is calculated using Cyclone, HD-3LS-SCENE, CASS software respectively, and the result is compared in detail. Research result indicates that three kinds of software can meet the project demand. Computation accuracy based on the Cyclone software is the highest, while the accuracy by using CASS software is rapid and available. According to the comparative study of various performance indexes of the software, the effective calculation method of quarry mining amount is determined.

point cloud data; Cyclone; quarry; exploitation amount; accuracy

著錄：謝宏全，徐瑞基，龍輝，等.利用激光點云數據計算采石場開采量方法研究[J].測繪工程，2017，26(11)：41-44.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.009

2016-11-17

國家自然科學基金資助項目(41506106)；海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；江蘇省海洋科學技術優勢學科建設項目(2014137)

謝宏全(1964-)，男，教授，博士.

P225.2

A

1006-7949(2017)11-0041-04