基于三維激光掃描技術的西石門鐵礦精礦盤庫測量方法

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(五礦邯邢礦業邯鄲地質勘查有限公司)

三維激光掃描技術改變了以往數據采集方式，無需接觸便可獲得物體表面的形態特征，具有數據采集速度快、精度高、密度大、非接觸和測量范圍廣等優點[1-2]。為提高精礦盤庫測量精度，本研究以西石門鐵礦為例，提出了一種基于三維激光掃描技術的精礦盤庫測量方法。

1　三維激光掃描盤庫測量原理

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀主機、激光掃描鏡、三腳架、球形標靶、平面標靶、三維激光數據處理軟件以及其他附屬設備構成[3-4](圖1)?；谌S激光掃描技術的精礦盤庫測量是基于激光測距原理，首先利用掃描儀發射的激光束，計算反射的時間差，推算出掃描中心與測量目標點的距離；然后通過掃描儀記錄的水平角、垂直角等數據信息來解算物體表面掃描點的三維坐標[5-6]。掃描坐標系如圖2所示，是以掃描中心為坐標原點，通過坐標原點且相互垂直的2個軸為X軸和Y軸，Z軸垂直于X、Y軸所成的平面，3個坐標軸組成右手坐標系，P點即為所需測量的點，P′點即為P點在XOY平面上的投影點[7-8]。

圖1　三維激光掃描儀

圖2　三維激光掃描測量原理

采用三維激光掃描儀進行盤庫測量時，應首先根據現場情況，選擇通視良好的地點進行分站掃描，不同測站之間用公共標靶球進行連接，利用GPS對標靶球中心進行測量，為后期數據拼接和坐標轉換提供基礎數據；然后對點云數據分別進行拼接、剔除噪聲點、重采樣、封裝處理，構建精礦三維模型；最后根據構建的三維模型計算精礦量(圖3)。

圖3　三維激光掃描儀精礦盤庫測量流程

2　工程應用

以西石門鐵礦2017年6月30日精礦庫存量為例(圖4)，分別采用三維激光掃描儀和傳統GPS測量方法進行盤庫測量。

圖4　西石門鐵礦精礦倉分布

2.1　GPS測量方法

外業測量采用華測X91 GPS接收機，其水平精度為±(10+1×10-6D)mm(D為測量距離)，垂直精度為±(20+1×10-6D) mm。為保證測量精度，平坦區域每3～5 m采集1個坐標點，對凹凸不平或地形起伏較大區域進行加密測量。外業完成后，采用南方CASS 9.1軟件的三角網法進行數據處理。三角網法是根據實測精礦表面點坐標(X，Y，Z)和平場標高，來生成一系列不規則三角形，通過計算每一個三角錐的精礦量，最后累加得到整個區域的精礦量。

2.2　三維激光掃描儀測量方法

本研究采用的三維激光掃描儀型號為Z+F IMAGER 5010，該型儀器換站測量時無需對中整平，測程為187.3 m，每秒可以獲取百萬點云數據。數據處理軟件采用Z+F LaserControl和Geomagic Studio。本研究測量共分4個測站，不同測站之間用公共標靶球進行連接，采用GPS-RTK測量標靶球的實際坐標，將不同測站的點云數據進行拼接。

2.2.1數據采集

(1)分站掃描。根據現場實際情況，在精礦體的4個角點進行設站，分站對精礦進行三維激光掃描，不同測站之間用公共標靶球進行連接，相鄰測站之間需有一定的重疊區域，避免數據遺漏。

(2)靶標球測量。為將各測站的掃描數據進行有效拼接，必須確保相鄰兩站之間至少有3個公共靶球，并用GPS-RTK測量每個靶球中心的絕對坐標。

2.2.2數據處理

2.2.2.1數據拼接

不同測站的掃描數據對應的坐標系各不相同，要得到精礦的整體信息需要對不同測站的原始點云數據進行拼接。本研究選擇Z+F Laser Control軟件“Register”拼接模塊，分別打開每一站數據，查找到站內的球形標靶進行識別，將不同位置的標靶進行編號，并確保多站中同一個標靶的編號相同。所有測站的標靶標識完畢后，選擇標靶拼接方式及拼接算法，利用Z+F Laser Control軟件的最小二乘算法進行點云拼接，拼接后的點云數據如圖5所示。

圖5　拼接后的整體點云數據

2.2.2.2坐標轉換

拼接后的點云數據采用的是相對坐標系，需要將其轉換為絕對坐標。本研究將通過GPS-RTK獲取的公共標靶球的絕對坐標數據導入Z+F Laser Control軟件“管理已知標識”欄中，將掃描數據轉換為絕對坐標(圖6)。

圖6　導入絕對坐標數據

2.2.2.3噪聲點剔除

在數據獲取過程中，由于儀器精度、地表反射及其他環境因素的影響，不可避免地會產生一些噪聲數據，該類數據的存在會導致整個點云數據含有粗差，影響后期數據建模精度。本研究采用Z+F Laser Control軟件的濾波功能對點云數據進行濾波處理，剔除噪聲數據。

2.2.2.4數據重采樣

三維激光掃描儀采集的原始點云數據量大，間距小，并且不同測站拼接會有重疊區域。若不經過精簡，直接建模，將占用大量計算機內存，影響后期數據處理效率，因而有必要對噪聲點剔除后的點云數據進行重采樣處理，減少數據量。重采樣主要有隨機采樣、等間距采樣和整體采用3種方法[9-10]。本研究采用隨機采樣方法對點云數據進行處理，重采樣后的點間距為10～30 cm。

2.2.2.5數據建模

首先對重采樣后的點云數據利用Z+F Laser Control軟件的“非連接項”和“體外孤點”等功能進一步優化；然后采用Geomagic Studio軟件的封裝功能進行封裝建模，若部分數據缺失，則生成的模型無法完全閉合，此時可以用Geomagic Studio軟件的“填充孔”功能進行修補，即可生成完整的精礦三維模型，模型生成后還可利用該軟件的“網格醫生”功能進行進一步優化，優化后的三維模型如圖7所示。

圖7　精礦三維模型

2.2.2.6精礦量計算

根據構建的精礦三維模型和設定的平場標高，本研究利用Geomagic Studio軟件的體積計算功能計算精礦量。

2.3　對比分析

GPS測量和三維激光掃描測量得到的精礦量見表1。分析表1可知：三維激光掃描與GPS測量所得出的精礦量較接近，但前者獲取的點云數據量遠遠多于后者，據此構建的精礦三維模型更貼合實際，因而計算出的精礦量可靠性較強；此外，三維激光掃描的作業時間僅為GPS測量的1/2，工作效率較高。

表1　精礦盤庫測量結果對比

3　結　語

以西石門鐵礦為例，提出了一種基于三維激光掃描技術的精礦盤庫測量方法，并詳細分析了方法原理及實施流程。研究表明：該方法獲取的點云信息量大，構建出的精礦三維模型能夠真實反映精礦堆存的實際情況，因而據此計算出的精礦量的可靠性優于GPS測量方法，并且該方法的作業效率相對于GPS測量方法而言也有明顯優勢。

[1]潘紅飛，趙翠薇.基于TIN 模型較高精度土方量計算方法[J].價值工程，2012，31(5)：63-65.

[2]李濱，冉磊，程承旗.三維激光掃描技術應用于土方工程的研究[J].測繪通報，2012 (10)：62-64.

[3]王先鵬，曹榮林.土方量計算的原理與方法及ArcGIS的應用前景[J].地理空間信息，2009(4)：139-141.

[4]歐斌，黃承亮.三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究[J].城市勘察，2012(2)：123-125.

[5]李現強.基于三維激光掃描技術的礦區數據采集及其模型構建的應用研究[D].南昌：東華理工大學，2013.

[6]閆騰飛，李元輝，徐帥，等.采空區三維激光掃描系統地理坐標定位方法[J].金屬礦山，2015(5)：135-139.

[7]柏雯娟.用三維激光掃描技術監測礦山開采沉陷[J].金屬礦山，2017(1)：132-135.

[8]馬法成.某鐵礦山隱伏采空區精準探測方法[J].金屬礦山，2016(5)：196-199.

[9]謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術與工程應用[M].武漢: 武漢大學出版社，2013.

[10]黃有，鄭坤，劉修國，等.三維激光掃描儀在測算礦方量中的應用[J].測繪科學，2012，37(3)：90-92.