陳 為，李建文

(中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530028)

0 前言

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼 GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命[1]。三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，能夠快速獲得完整的原始測(cè)繪數(shù)據(jù)并高精度地重建掃描實(shí)物。該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無(wú)需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。由于在獲取空間信息方面提供了一種全新的技術(shù)手段，傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，從而提高了測(cè)量的效率[2]。

文章通過(guò)相關(guān)實(shí)例，介紹三維激光掃描儀的類型、原理和工作方式，分析ILRIS-HD掃描儀的特點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并利用SURPAC軟件對(duì)所獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和露天爆破設(shè)計(jì)，進(jìn)而討論三維激光掃描資料后處理的問(wèn)題及方法。

1 三維激光掃描儀的分類及數(shù)據(jù)獲取方式

對(duì)空間信息進(jìn)行可視化表達(dá)，即進(jìn)行三維建模，通常有2類方法：基于圖像的方法和基于幾何的方法?；趫D像的方法是通過(guò)照片或圖片來(lái)建立模型，其數(shù)據(jù)來(lái)源是數(shù)碼相機(jī)；而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數(shù)據(jù)來(lái)建立三維模型，這種方法含有被測(cè)場(chǎng)景比較精確的幾何信息。文章介紹利用三維激光掃描儀建立三維模型的原理和實(shí)例[3]。

圖1 ILRIS-HD三維激光掃描儀

ILRIS-HD系統(tǒng)簡(jiǎn)介如下：

ILRIS-HD三維激光掃描儀系統(tǒng)，如圖1，由三維激光掃描儀掃描主機(jī)、電池、三角架、筆記本電腦、應(yīng)用軟件及其他附件組合組成。在工作時(shí)，由掃描儀內(nèi)部激光脈沖二極管發(fā)射的激光脈沖，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向被測(cè)物體，然后通過(guò)探測(cè)器，接收并記錄反射回來(lái)的激光脈沖。激光束的垂直偏轉(zhuǎn)角(“線掃描”)，通過(guò)一個(gè)包含幾個(gè)反射表面的多面體來(lái)控制。通過(guò)改變多棱鏡的旋轉(zhuǎn)速度可以用來(lái)調(diào)整掃描速度。此外，可選配備中的轉(zhuǎn)臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)A角的調(diào)整，使得其能夠方便地進(jìn)行俯視和仰視的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)360(°) ×[-20(°)～90(°)]或者 360(°) ×[-90(°)～20(°)]范圍內(nèi)的自動(dòng)掃描。而且，該設(shè)備采用的激光技術(shù)基于距離數(shù)字采集L IDAR(Light Distance and Ranging)光傳輸時(shí)間測(cè)量方法，符合(Class I，IEC608251)的激光標(biāo)準(zhǔn)，在任何環(huán)境下對(duì)人體、物體完全安全。

在軟件的支持下，能進(jìn)行快速精確、高效穩(wěn)定的掃描，同時(shí)可以對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行紋理的精確迭加，其分辨率可高達(dá)毫米量級(jí)。利用 ILRIS-HD三維激光掃描儀能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)感興趣的區(qū)域，樓房，橋梁，室內(nèi)等獲取詳盡的、高精度的三維立體影像圖數(shù)據(jù)。利用強(qiáng)大的后期處理軟件，如Poly-Works，將得到的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的需要，制作出極為豐富的三維立體空間模型(CAD)，立體影像(MA YA)及三維定量分析。

2 ILRIS-HD主要技術(shù)參數(shù)

ILRIS-HD主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ILRIS-HD主要技術(shù)參數(shù)

3 ILRIS-HD數(shù)據(jù)采集

以廣西下雷錳礦區(qū)西北采場(chǎng)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，共掃描西北采場(chǎng)共4層臺(tái)階。使用 ILRIS-HD為長(zhǎng)距離高精度三維激光掃描儀，由三維掃描儀原理，掃描的內(nèi)容和距離成正比，離臺(tái)階越遠(yuǎn)，掃描內(nèi)容越多，因此架站掃描的時(shí)候可以距離臺(tái)階遠(yuǎn)一點(diǎn)，這樣可以減少架站次數(shù)，節(jié)約時(shí)間。本次共架設(shè)并移動(dòng)儀器2次，共掃得13個(gè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

4 掃描數(shù)據(jù)處理

掃描獲得的數(shù)據(jù)以圖片格式存儲(chǔ)，需要使用Optech公司配送的專用軟件進(jìn)行解壓，該軟件能夠加上RGB色彩，讓點(diǎn)云顯示掃描拍照時(shí)的色彩。對(duì)于解壓后的數(shù)據(jù)處理，需要用 Ployworks逆向建模軟件。首先使用Ployworks中“開(kāi)始對(duì)齊模塊”進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)拼接，拼接時(shí)每幅數(shù)據(jù)之間最好要保證30%左右的公共部分，且拼接時(shí)最少要尋找3個(gè)以上特征點(diǎn)，拼接好的數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 西北采場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)

5 截取數(shù)據(jù)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)

1)截取需要爆破的臺(tái)階點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SURPAC后建模得到臺(tái)階模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 西北采場(chǎng)某段臺(tái)階

2)以臺(tái)階模型為頂，以固定標(biāo)高為底建立鉆孔模型(本設(shè)計(jì)設(shè)定臺(tái)階高度10 m)，這樣得到的鉆孔模型較符合實(shí)際情況。

3)軟件裝藥計(jì)算，按照實(shí)際情況，從孔口開(kāi)始往下裝藥，炸藥的密度，雷管的型號(hào)、延時(shí)等都可以事先預(yù)設(shè)好。然后設(shè)置好點(diǎn)火順序。

4)計(jì)算爆破影響的邊界范圍，得到爆破邊界線，再以爆破邊界線文件為邊界，以臺(tái)階模型為頂，以固定標(biāo)高為底得到一個(gè)封閉的爆破體模型(見(jiàn)圖4)。

圖4 爆破體模型

5)出最終報(bào)告。

最終報(bào)告如表2所示。

表2 最終報(bào)告

6 分析與結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)所建立的三維模型通過(guò)Polyworks軟件處理后，具有較高精度。要使三維模型發(fā)揮更大作用，可將建立的三維模型導(dǎo)入SURPAC中進(jìn)行矢量化建模，明確對(duì)象的相對(duì)坐標(biāo)，從而應(yīng)用于實(shí)際工程中。實(shí)驗(yàn)取得了一些經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了需要解決問(wèn)題。

1)對(duì)于大型建筑物或場(chǎng)景，掃描站點(diǎn)的布設(shè)十分重要，既要保證數(shù)據(jù)不能缺失，又要不能讓數(shù)據(jù)過(guò)分冗余，造成不必要的工作量。

2)對(duì)于大型場(chǎng)景或高大建筑物等被測(cè)對(duì)象需要放置標(biāo)靶，通過(guò)Polyworks軟件將其拼接，要保證拼接的精度，必須保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并盡量減少數(shù)據(jù)的缺失。

三維激光掃描儀可以快速獲取空間均勻密布且精度較高的點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)需求。論文對(duì)利用ILRIS-HD三維激光掃描儀建立三維模型進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)的初步嘗試，還有許多工作尚待完成。例如，將項(xiàng)目坐標(biāo)系快速轉(zhuǎn)換為全球坐標(biāo)系，真正使其應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域；模型的快速矢量化處理等等，都需要在今后的工作中不斷深入研究，以求得更多成果。

[1]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用[J].地理空間信息，2005，3(3)：60-62.

[2]余明，丁辰，過(guò)靜.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測(cè)繪的研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2004，29(5)：69-70.

[3]李光玉，劉雁春.基于Arc GIS的航道三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[C]//第21屆海洋測(cè)繪綜合性學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2009.