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(五礦邯邢礦業(yè)邯鄲地質(zhì)勘查有限公司)

三維激光掃描技術(shù)改變了以往數(shù)據(jù)采集方式，無需接觸便可獲得物體表面的形態(tài)特征，具有數(shù)據(jù)采集速度快、精度高、密度大、非接觸和測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[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(shù)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(tǒng)主要由三維激光掃描儀主機(jī)、激光掃描鏡、三腳架、球形標(biāo)靶、平面標(biāo)靶、三維激光數(shù)據(jù)處理軟件以及其他附屬設(shè)備構(gòu)成[3-4](圖1)?；谌S激光掃描技術(shù)的精礦盤庫測量是基于激光測距原理，首先利用掃描儀發(fā)射的激光束，計(jì)算反射的時(shí)間差，推算出掃描中心與測量目標(biāo)點(diǎn)的距離；然后通過掃描儀記錄的水平角、垂直角等數(shù)據(jù)信息來解算物體表面掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)[5-6]。掃描坐標(biāo)系如圖2所示，是以掃描中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過坐標(biāo)原點(diǎn)且相互垂直的2個(gè)軸為X軸和Y軸，Z軸垂直于X、Y軸所成的平面，3個(gè)坐標(biāo)軸組成右手坐標(biāo)系，P點(diǎn)即為所需測量的點(diǎn)，P′點(diǎn)即為P點(diǎn)在XOY平面上的投影點(diǎn)[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(jìn)行盤庫測量時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇通視良好的地點(diǎn)進(jìn)行分站掃描，不同測站之間用公共標(biāo)靶球進(jìn)行連接，利用GPS對(duì)標(biāo)靶球中心進(jìn)行測量，為后期數(shù)據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行拼接、剔除噪聲點(diǎn)、重采樣、封裝處理，構(gòu)建精礦三維模型；最后根據(jù)構(gòu)建的三維模型計(jì)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(yīng)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(tǒng)GPS測量方法進(jìn)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(yè)測量采用華測X91 GPS接收機(jī)，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(qū)域每3～5 m采集1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)凹凸不平或地形起伏較大區(qū)域進(jìn)行加密測量。外業(yè)完成后，采用南方CASS 9.1軟件的三角網(wǎng)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。三角網(wǎng)法是根據(jù)實(shí)測精礦表面點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)和平場標(biāo)高，來生成一系列不規(guī)則三角形，通過計(jì)算每一個(gè)三角錐的精礦量，最后累加得到整個(gè)區(qū)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(hào)為Z+F IMAGER 5010，該型儀器換站測量時(shí)無需對(duì)中整平，測程為187.3 m，每秒可以獲取百萬點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件采用Z+F LaserControl和Geomagic Studio。本研究測量共分4個(gè)測站，不同測站之間用公共標(biāo)靶球進(jìn)行連接，采用GPS-RTK測量標(biāo)靶球的實(shí)際坐標(biāo)，將不同測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

2.2.1數(shù)據(jù)采集

(1)分站掃描。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在精礦體的4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站，分站對(duì)精礦進(jìn)行三維激光掃描，不同測站之間用公共標(biāo)靶球進(jìn)行連接，相鄰測站之間需有一定的重疊區(qū)域，避免數(shù)據(jù)遺漏。

(2)靶標(biāo)球測量。為將各測站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行有效拼接，必須確保相鄰兩站之間至少有3個(gè)公共靶球，并用GPS-RTK測量每個(gè)靶球中心的絕對(duì)坐標(biāo)。

2.2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.2.1數(shù)據(jù)拼接

不同測站的掃描數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系各不相同，要得到精礦的整體信息需要對(duì)不同測站的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)，查找到站內(nèi)的球形標(biāo)靶進(jìn)行識(shí)別，將不同位置的標(biāo)靶進(jìn)行編號(hào)，并確保多站中同一個(gè)標(biāo)靶的編號(hào)相同。所有測站的標(biāo)靶標(biāo)識(shí)完畢后，選擇標(biāo)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(jìn)行點(diǎn)云拼接，拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　拼接后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用的是相對(duì)坐標(biāo)系，需要將其轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)。本研究將通過GPS-RTK獲取的公共標(biāo)靶球的絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Z+F Laser Control軟件“管理已知標(biāo)識(shí)”欄中，將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)(圖6)。

圖6　導(dǎo)入絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2.2.3噪聲點(diǎn)剔除

在數(shù)據(jù)獲取過程中，由于儀器精度、地表反射及其他環(huán)境因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些噪聲數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)的存在會(huì)導(dǎo)致整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有粗差，影響后期數(shù)據(jù)建模精度。本研究采用Z+F Laser Control軟件的濾波功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，剔除噪聲數(shù)據(jù)。

2.2.2.4數(shù)據(jù)重采樣

三維激光掃描儀采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，間距小，并且不同測站拼接會(huì)有重疊區(qū)域。若不經(jīng)過精簡，直接建模，將占用大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存，影響后期數(shù)據(jù)處理效率，因而有必要對(duì)噪聲點(diǎn)剔除后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理，減少數(shù)據(jù)量。重采樣主要有隨機(jī)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(jī)采樣方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重采樣后的點(diǎn)間距為10～30 cm。

2.2.2.5數(shù)據(jù)建模

首先對(duì)重采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用Z+F Laser Control軟件的“非連接項(xiàng)”和“體外孤點(diǎn)”等功能進(jìn)一步優(yōu)化；然后采用Geomagic Studio軟件的封裝功能進(jìn)行封裝建模，若部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，則生成的模型無法完全閉合，此時(shí)可以用Geomagic Studio軟件的“填充孔”功能進(jìn)行修補(bǔ)，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(wǎng)格醫(yī)生”功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)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(jì)算

根據(jù)構(gòu)建的精礦三維模型和設(shè)定的平場標(biāo)高，本研究利用Geomagic Studio軟件的體積計(jì)算功能計(jì)算精礦量。

2.3　對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于后者，據(jù)此構(gòu)建的精礦三維模型更貼合實(shí)際，因而計(jì)算出的精礦量可靠性較強(qiáng)；此外，三維激光掃描的作業(yè)時(shí)間僅為GPS測量的1/2，工作效率較高。

表1　精礦盤庫測量結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)　語

以西石門鐵礦為例，提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的精礦盤庫測量方法，并詳細(xì)分析了方法原理及實(shí)施流程。研究表明：該方法獲取的點(diǎn)云信息量大，構(gòu)建出的精礦三維模型能夠真實(shí)反映精礦堆存的實(shí)際情況，因而據(jù)此計(jì)算出的精礦量的可靠性優(yōu)于GPS測量方法，并且該方法的作業(yè)效率相對(duì)于GPS測量方法而言也有明顯優(yōu)勢。

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