謝宏全，徐瑞基，龍 輝，盧 霞，王 晨

(1.淮海工學(xué)院 測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007)

利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算采石場(chǎng)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(xué)院 測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007)

采石場(chǎng)開采量計(jì)算，由于傳統(tǒng)測(cè)量方法存在獲取數(shù)據(jù)量少、精度低、復(fù)雜地形獲取數(shù)據(jù)困難等問題，利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算采石場(chǎng)開采量具有重要的研究意義。選擇李莊采石場(chǎng)作為研究對(duì)象，利用徠卡C10獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，Geomagic軟件對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。采用Cyclone，HD-3LS-SCENE,CASS軟件對(duì)開采量分別進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明：三種軟件可滿足工程需要。Cyclone軟件計(jì)算精度最高，CASS軟件操作快捷方便。根據(jù)軟件多種性能指標(biāo)的對(duì)比研究，確定采石場(chǎng)開采量行之有效的計(jì)算方法。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)；Cyclone；采石場(chǎng)；開采量；精度

利用三維激光掃描技術(shù)可以獲得高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行體積計(jì)算，解決了復(fù)雜礦山開采與儲(chǔ)量的測(cè)量精度問題。近年來國內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要成果：任恒星[1]針對(duì)采用拓普康IS影像三維掃描全站儀獲取高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)計(jì)算土方量的方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究；蘇春艷等[2]采用Lecia HDS ScanStation2以工程堆積的垃圾為實(shí)例，對(duì)堆積物體積計(jì)算的流程與方法進(jìn)行了研究；張榮華等[3]研究表明：基于三維激光掃描技術(shù)的土方量算滿足精度要求，給出了在土方量算應(yīng)用中的相關(guān)定量指標(biāo)。目前采用地面三維激光掃描技術(shù)針對(duì)采石場(chǎng)的開采量變化研究非常少，計(jì)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(jì)算方法，利用徠卡C10獲取李莊采石場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Cyclone與Geomagic軟件處理數(shù)據(jù)，利用Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS軟件求取采石場(chǎng)開采量并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 研究區(qū)概況與點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

李莊采石場(chǎng)位于連云港市連云區(qū)云山街道辦事處李莊村李莊水庫北側(cè)，采石場(chǎng)道路交通便利，西側(cè)有連霍高速公路和隴海鐵路，南側(cè)有一個(gè)水庫。采石場(chǎng)是一座孤立的礦山，比較空曠，行人和車輛經(jīng)過較少。由于開采的緣故，導(dǎo)致采石場(chǎng)地貌形狀不規(guī)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(chǎng)斷面外觀

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

2006年江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司RTK方法測(cè)繪1：2000地形圖記錄2006年以后采石場(chǎng)開采量的詳細(xì)數(shù)據(jù)。為了達(dá)到掃描的目的和精度要求，結(jié)合李莊采石場(chǎng)的環(huán)境和地形本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，徠卡C10掃描儀獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，決定采用全站儀模式對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行掃描[4]。

為了保證前后兩期坐標(biāo)的一致性，兩期數(shù)據(jù)都是利用江蘇CORS系統(tǒng)，利用RTK測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)采石場(chǎng)的地形和范圍，2015年11月17日，由江蘇萬源測(cè)繪地理信息有限公司利用RTK測(cè)量三個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)地形情況，將掃描路線設(shè)置為閉合導(dǎo)線[5]，共有導(dǎo)線點(diǎn)12個(gè)，每站架設(shè)儀器進(jìn)行掃描，采用中等分辨率[6](10 cm/100 m)，每站操作時(shí)間大約為30 min，大約測(cè)量7 h完成采石場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集工作。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 噪聲處理與范圍的統(tǒng)一

將掃描的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入徠卡C10隨機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0[7-9]，對(duì)軟件自動(dòng)拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，證明點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整可用。利用軟件去噪功能，通過放大與旋轉(zhuǎn)操作，對(duì)研究區(qū)域外點(diǎn)云粗略刪除[10-11]。

計(jì)算采石場(chǎng)開采量利用RTK測(cè)量的數(shù)據(jù)與三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，要保證兩者范圍的一致性，主要以2006年地形圖數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用CASS軟件確定范圍邊界線，將處理后的數(shù)據(jù)保存為txt格式文件，再導(dǎo)入Cyclone軟件，刪除研究區(qū)域范圍以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)均一化處理

為了與2006年地形圖數(shù)據(jù)精度上大致保持相同，對(duì)三維激光掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理。在Cyclone軟件中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理。為了與傳統(tǒng)方法保持精度基本一致，便于數(shù)據(jù)間的研究對(duì)比，確定點(diǎn)云間隔為5 m進(jìn)行點(diǎn)云均一化處理(見圖2)。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)均一化處理結(jié)果

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)

利用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然存在一些噪聲點(diǎn)、體外孤點(diǎn)等影響點(diǎn)云質(zhì)量的因素，可以采用Geomagic軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)[12]。將Cyclone軟件處理得到的結(jié)果保存為xyz格式文件，在Geomagic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的主要過程[13-14]：“數(shù)據(jù)導(dǎo)入—點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色—去除體外孤點(diǎn)及非連接項(xiàng)—減少噪音—數(shù)據(jù)采樣—數(shù)據(jù)封裝”，將處理后的數(shù)據(jù)保存為vtx格式文件。

3 采石場(chǎng)開采量的計(jì)算

根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)，可以采用不同軟件計(jì)算采石場(chǎng)開采量。本研究選擇Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS三種軟件求取采石場(chǎng)開采量，以精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對(duì)三種軟件求取開采量的方法做簡(jiǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)與建模的功能。 依據(jù)Cyclone軟件提供的計(jì)算體積的功能，不能將兩期的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行疊加求差值，需要分別計(jì)算每期的體積，然后求差，差值即為采石場(chǎng)開采量[15]。

Cyclone軟件求取體積的主要技術(shù)：將Geomagic精簡(jiǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，創(chuàng)建TIN模型[16-17]；執(zhí)行“Tool—measure—TIN Volume”命令，軟件自動(dòng)計(jì)算點(diǎn)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(jì)算開采量所需要的數(shù)據(jù)。

因?yàn)閮善跀?shù)據(jù)計(jì)算挖方量的差值為開采量，要求取2006年數(shù)據(jù)的挖方量，因?yàn)樘峁┑?006年的數(shù)據(jù)文件格式是dat格式，將dat格式的文件轉(zhuǎn)換為txt格式，再導(dǎo)入Cyclone軟件，按照以上方法，計(jì)算挖方量為1 006 949 m3，將兩期的挖方量求差值即為采石場(chǎng)開采量，將計(jì)算結(jié)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(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司自主研發(fā)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件支持點(diǎn)云渲染、點(diǎn)云選擇、量測(cè)分析、堆體體積計(jì)算。此次研究主要是根據(jù)需求以及數(shù)據(jù)的密度，設(shè)置網(wǎng)格大小，求取每一期堆體體積，然后做差，差值即為采石場(chǎng)的開采量。

HD-3LS-SCENE軟件主要技術(shù)思路：將Geomagic精簡(jiǎn)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(dǎo)入經(jīng)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(zhuǎn)換為proj.hls格式文件，通過軟件加載proj.hls格式文件，點(diǎn)擊菜單中“點(diǎn)云分析”設(shè)置投影點(diǎn)云參數(shù)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(shù)據(jù)利用Excel表格處理轉(zhuǎn)換為txt格式文件，再導(dǎo)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(shù)據(jù)的體積，結(jié)果為342 501 m3，兩期體積差值為采石場(chǎng)開采量，計(jì)算結(jié)果填入表1中。

3.3 CASS軟件求取開采量

CASS軟件是南方數(shù)碼科技股份有限公司基于CAD平臺(tái)開發(fā)的一套集地形、地籍、空間數(shù)據(jù)建庫、工程應(yīng)用、土石方量算等功能為一體的軟件系統(tǒng)。CASS提供了多種土方計(jì)算方法，對(duì)不同工程條件可靈活地采用合適的土方計(jì)算模型[18]。

CASS軟件主要技術(shù)思路是：將Geomagic精簡(jiǎn)保存的5 m抽稀點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為dat格式文件保存，利用CASS軟件打開dat格式文件，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jws格式文件，根據(jù)江蘇萬源測(cè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jws格式文件。

在CASS軟件選擇DTM法計(jì)算兩期土方[19]，利用兩期三角網(wǎng)文件系統(tǒng)計(jì)算土方量，填方量247 736 m3即為求取的開采量，將結(jié)果填入表1中。

4 開采量統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 開采量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

三種軟件求取的采石場(chǎng)開采量及相應(yīng)的數(shù)據(jù)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(shù)，△VCY，△VHD，△VCA分別為三種軟件求取的開采量與開采量平均數(shù)之差取的絕對(duì)值。△VCY/V，△VHD/V，△VCA/V為三種軟件計(jì)算結(jié)果與平均數(shù)之差與平均數(shù)的比值。VRTK為2015年利用RTK測(cè)量的數(shù)據(jù)在CASS軟件中求取的開采量。

表1 開采量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.2 開采量計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)以上計(jì)算結(jié)果，從計(jì)算開采量的技術(shù)可行性、計(jì)算的精度、軟件操作的難易程度等方面進(jìn)行對(duì)比分析，三種軟件性能分析結(jié)果如表2所示。

針對(duì)三種軟件的性能及計(jì)算開采量結(jié)果的精度，詳細(xì)的對(duì)比分析闡述如下：

1)Cyclone軟件。Cyclone軟件是具有較高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨機(jī)數(shù)據(jù)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(xùn)或相關(guān)人員的指導(dǎo)，軟件使用上比較困難。操作步驟比較繁瑣，軟件功能比較強(qiáng)大，能夠計(jì)算采石場(chǎng)開采量。由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看出：Cyclone在計(jì)算開采量方面誤差較小。對(duì)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(cè)量需要。

表2 軟件性能對(duì)比結(jié)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(fèi)較高，軟件試用期都是短暫的。軟件操作上比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間需要40 min，在三種軟件中計(jì)算速度最慢。在精度方面，由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出：相比于其他兩個(gè)軟件，在相同的條件下，精度最低，因此在對(duì)精度要求不是很高的情況下，能夠使用HD-3LS-SCENE軟件計(jì)算開采量。

3)CASS軟件。該軟件運(yùn)用比較普遍，能夠識(shí)別多種格式的數(shù)據(jù)文件。該軟件操作簡(jiǎn)單快捷，在短時(shí)間內(nèi)求取土方量，而且在求取兩期土方量的過程中，實(shí)現(xiàn)一步到位，減少了后期大量的手工計(jì)算。在計(jì)算精度方面，由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)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(yōu)先考慮的軟件。

5 結(jié)束語

通過對(duì)李莊采石場(chǎng)2006—2015年間開采量計(jì)算結(jié)果表明：利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采石場(chǎng)開采量計(jì)算技術(shù)可行、精度滿足工程需要。Cyclone軟件使用難度大，但是操作簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果精度較高；HD-3LS-SCENE操作復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長，計(jì)算精度一般，可以滿足不同要求的需要。激光點(diǎn)云對(duì)于開采量的計(jì)算具有一定的應(yīng)用前景，如果獲取多期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果的精度能得到較大提高；CASS軟件操作簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算精度滿足多數(shù)工程的需要。

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[責(zé)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(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算采石場(chǎng)開采量方法研究[J].測(cè)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(xué)基金資助項(xiàng)目(41506106)；海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2014B09)；江蘇省海洋科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(2014137)

謝宏全(1964-)，男，教授，博士.

P225.2

A

1006-7949(2017)11-0041-04