摘 要：為了有效解決煤炭單位測(cè)量存煤量，提出了一種實(shí)用、便捷的GPS_RTK盤煤系統(tǒng)方案，給出了盤煤系統(tǒng)的可行性分析及基本原理。通過易語言中文編程語言設(shè)計(jì)并開發(fā)盤煤系統(tǒng)。系統(tǒng)功能部分包括數(shù)據(jù)維護(hù)、DEM重建、體積計(jì)算及成果輸出。詳細(xì)給出了法向量建立凸多邊形算法，逐點(diǎn)插入法建立三角網(wǎng)算法。

關(guān)鍵詞：盤煤系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)；GPS_RTK；三維重建；三角網(wǎng)

1 概述

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，采煤技術(shù)的不斷提高，近年來國外內(nèi)涌現(xiàn)出了很多年產(chǎn)量超過千萬噸的大型礦井。這些大型礦井往往每旬至少要對(duì)礦內(nèi)所有煤堆的堆煤量進(jìn)行測(cè)算一次，以便實(shí)時(shí)了解煤炭產(chǎn)量，為下一步的生產(chǎn)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

然而，大多數(shù)煤炭礦井目前還是采用人工丈量煤堆煤量。這種方法不僅浪費(fèi)人力物力，而且計(jì)量精度較差。此外，人工丈量還需要推土機(jī)對(duì)煤堆進(jìn)行平場(chǎng)，同時(shí)還需要三至四個(gè)人協(xié)作來進(jìn)行煤堆測(cè)算，不利于管理數(shù)據(jù)化，不利于提高經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)合GPS_RTK地面測(cè)量，設(shè)計(jì)并開發(fā)一款盤煤系統(tǒng)。將快速采集到的煤堆觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，科學(xué)計(jì)算，使盤煤工作簡單、快捷、科學(xué)，尤為重要。

2 可行性分析

①GPS_RTK基于載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)定位技術(shù)，可以快速采集到煤堆表面各特征點(diǎn)的三維空間數(shù)據(jù)，精度可達(dá)到厘米級(jí)精度。使用輕巧便攜，操作簡單，性能可靠。

②GPS_RTK單次采集特征點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。整個(gè)盤煤工作只需要單人即可快速完成，省去多人協(xié)作的步驟。

③盤煤系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口與GPS_RTK數(shù)據(jù)接口、AutoCAD圖形文件格式、Excel數(shù)據(jù)格式對(duì)接，方便不同用戶的平臺(tái)搭接。

④盤煤系統(tǒng)性能可靠，界面友好，操作方便，計(jì)算方法科學(xué)精確。避免人工計(jì)算錯(cuò)誤，減少人工繪圖誤差。

⑤盤煤系統(tǒng)搭載數(shù)據(jù)維護(hù)模塊，用戶可修改（修正或批量加常數(shù)）、導(dǎo)出坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)。圖形化成果可導(dǎo)出AutoCAD格式，便于成果的查詢、打印與數(shù)據(jù)共享。

3 盤煤系統(tǒng)的基本原理

盤煤系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于GPS_RTK采集到的煤堆表面盡可能多的特征點(diǎn)三維空間數(shù)據(jù)（X，Y，Z坐標(biāo)）。將這些特征點(diǎn)三維空間數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入到盤煤系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)這些特征點(diǎn)的空間位置信息進(jìn)行逐一比對(duì)校驗(yàn)，去除重復(fù)點(diǎn)及錯(cuò)誤點(diǎn)。

利用篩選后的特征點(diǎn)三維空間數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM（數(shù)字高程模型），使每個(gè)煤堆形成由多個(gè)三棱柱組成的煤堆觀測(cè)網(wǎng)。

利用每個(gè)三棱柱的平均棱高及底面面積，逐一計(jì)算每個(gè)三棱柱的體積。將所有三棱柱的體積進(jìn)行累加，即得出煤堆的體積。

最后，用煤堆的容重乘以煤堆的體積，獲得煤堆的煤量。

4 系統(tǒng)功能及主要算法

盤煤系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成，它們分別是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，DEM（數(shù)字高程模型）重建，體積計(jì)算，成果輸出（如圖1所示）。

4.1 數(shù)據(jù)維護(hù)

由于GPS_RTK采集到的煤堆特征點(diǎn)數(shù)據(jù)可能因基站-移動(dòng)站距離過大及用戶誤操作，產(chǎn)生重復(fù)點(diǎn)、距離過遠(yuǎn)或距離過近的錯(cuò)誤點(diǎn)。盤煤系統(tǒng)第一步要做的工作就是提供給用戶一個(gè)友好的數(shù)據(jù)維護(hù)界面，并高亮顯示重復(fù)點(diǎn)、距離過遠(yuǎn)或距離過近的錯(cuò)誤點(diǎn)，以便用戶完成數(shù)據(jù)的新增、修改、刪除、校驗(yàn)工作。

4.2 DEM（數(shù)字高程模型）重建

將所有經(jīng)過篩選后的特征點(diǎn)三維空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)利用逐點(diǎn)插入法構(gòu)建DEM（數(shù)字高程模型）。

逐點(diǎn)插入法構(gòu)建DEM，基本步驟如下：

①首先不考慮特征點(diǎn)的Z坐標(biāo)，只考慮特征點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。這樣，所有特征點(diǎn)可視為在同一水平面內(nèi)。利用法向量法對(duì)這些特征點(diǎn)進(jìn)行遍歷，構(gòu)成一個(gè)包含所有特征點(diǎn)的凸多邊形。

②在凸多邊形內(nèi)部建立一個(gè)初始三角形網(wǎng)，然后迭代③④步驟，直到所有數(shù)據(jù)點(diǎn)處理完畢。

③插入未處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)P，在三角網(wǎng)中找出包含P點(diǎn)的三角形t，連接P與三角形t的三個(gè)頂點(diǎn)，生成新的三角形。

④利用局部LOOP算法優(yōu)化三角網(wǎng)。

⑤最后，刪除外部多余三角形。

4.3 體積計(jì)算模塊

通過DEM的建立，可以清晰的看出煤堆的體積實(shí)際上可剖分為所有三棱柱的體積之和。由于多數(shù)煤炭單位煤場(chǎng)在堆煤前都已經(jīng)過平場(chǎng)，這里我們近似認(rèn)為所有三棱柱的底面和煤堆底面共面。GPS_RTK采集到的煤堆堆底特征點(diǎn)Z坐標(biāo)平均值作為底參考面的高程。

三棱柱體積：V=V=SH

三棱柱的柱高：H=（z+z+z）-h

底參考面的高程：hZ（式中Z為煤堆堆底特征點(diǎn)）

三棱柱的底面積：

S=ab·sin<，>

=ab·

=

=

=

在體積計(jì)算模塊中，系統(tǒng)為用戶提供煤堆堆底面積（占地面積）及煤堆體積的實(shí)時(shí)顯示。用戶只需輸入煤的容重，即可得出煤堆的煤量。

4.4 成果數(shù)據(jù)輸出模塊

考慮到數(shù)據(jù)的共享性，本系統(tǒng)搭載數(shù)據(jù)維護(hù)功能和成果數(shù)據(jù)圖形化輸出功能。在數(shù)據(jù)維護(hù)階段，用戶可將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行新增、修改（修正或批量加常數(shù)）、刪除等操作。坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以*.CSV（逗號(hào)分隔Excel文件格式）、*.TXT（制表符或逗號(hào)分隔的文本文件格式）、*.DAT（CASS文件坐標(biāo)格式）輸出。在煤堆體積計(jì)算完成后，用戶可將DEM（數(shù)字高程模型）三角網(wǎng)圖形及煤堆占地面積、容重等文字信息以*.DXF（AutoCAD圖形文件格式）輸出。

5 關(guān)鍵代碼

5.1 法向量建立凸多邊形

XL.起點(diǎn)=尋找MinX （A）

'尋找X坐標(biāo)最小的點(diǎn)最為初始向量XL的起點(diǎn)

刪除成員（XL.起點(diǎn)，所有點(diǎn)集）

......

計(jì)次循環(huán)首（1，取數(shù)組成員數(shù)（所有點(diǎn)集））

變量循環(huán)首 （1， 取數(shù)組成員數(shù)（所有點(diǎn)集） ， i）

XL.終點(diǎn)=所有點(diǎn)集[i]

L=（XL.終點(diǎn).X坐標(biāo)-XL.起點(diǎn).X坐標(biāo)）×（XL.終點(diǎn).Y坐標(biāo)-XL.起點(diǎn).Y坐標(biāo)）

'所有點(diǎn)集[i]作為向量終點(diǎn)，并記錄每個(gè)向量的斜率l

變量循環(huán)尾 （）

Lmin=尋找MinL（l）

'遍歷所有向量斜率l，尋找斜率最小向量Lmin

刪除成員（Lmin.終點(diǎn)，所有點(diǎn)集）

加入成員（Lmin.終點(diǎn)，凸多邊形點(diǎn)集）

L.起點(diǎn)=Lmin.終點(diǎn)

......

計(jì)次循環(huán)尾 （）

5.2 DEM建立

計(jì)次循環(huán)首（1，取數(shù)組成員數(shù)（三角網(wǎng)））

t=初始三角形（）

'構(gòu)建初始三角形t

......

變量循環(huán)首 （1， 取數(shù)組成員數(shù)（p） ， i）

L1=（t [2].X坐標(biāo)-t[1].X坐標(biāo)）×（t[2].Y坐標(biāo)-t [1].Y坐標(biāo)）-（p[i].X坐標(biāo)-t [2].X坐標(biāo)）×（p[i].Y坐標(biāo)-t [2].Y坐標(biāo)）>0

'判斷p[i]點(diǎn)是否在向量t.[1]→t[2]的左（右）側(cè)。如果p[i]在向量t[1]→t[2]左（右）側(cè)，則L1為真

L2=（t [3].X坐標(biāo)-t[2].X坐標(biāo)）×（t[3].Y坐標(biāo)-t [2].Y坐標(biāo)）-（p[i].X坐標(biāo)-t [3].X坐標(biāo)）×（p[i].Y坐標(biāo)-t [3].Y坐標(biāo)）>0

L3=（t [1].X坐標(biāo)-t[3].X坐標(biāo)）×（t[1].Y坐標(biāo)-t [3].Y坐標(biāo)）-（p[i].X坐標(biāo)-t [1].X坐標(biāo)）×（p[i].Y坐標(biāo)-t [1].Y坐標(biāo)）>0

如果真 （L1 且 L2 且 L3）

'如果p[i]點(diǎn)在三角形t三邊組成向量的同一側(cè)，則說明p[i]點(diǎn)在三角形t內(nèi)部

加入三角形集（t[1]，t[2]，p[i]）

'連接t[1]，t[2]，p[i]，組成新的三角形

加入三角形集（t[2]，t[3]，p[i]）

加入三角形集（t[3]，t[1]，p[i]）

如果真結(jié)束

......

變量循環(huán)尾 （）

......

計(jì)次循環(huán)尾 （）

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用GPS_RTK的數(shù)據(jù)采集功能在煤堆觀測(cè)網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過逐點(diǎn)插入法將采集到的煤堆特征點(diǎn)三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，計(jì)算煤堆體積達(dá)到煤量測(cè)算的目的，使盤煤工作簡單化、精細(xì)化，盤煤成果數(shù)據(jù)化、圖形化，便于煤礦單位存煤管控和效益評(píng)估工作，發(fā)展前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉云，夏興東，黃北生.基于分治算法與逐點(diǎn)插入法的Delaunay三角網(wǎng)建立算法的改進(jìn)[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2010（04）：14-16.

[2]李礦偉.GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在礦山的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2015（5）：114-114.

作者簡介：

軒立軍（1987-），助理工程師，2010年畢業(yè)于河南理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，現(xiàn)任神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦地測(cè)科技術(shù)員。