劉士彪, 王玉良, 羅 洵, 程浩杰

（1.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 上饒 334000）

1 引言

在金屬礦山的開(kāi)采中，受開(kāi)采設(shè)備，爆破技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)工作人員等不確定因素的影響，容易造成爆堆周邊欠挖，導(dǎo)致大量的礦石丟失，極大影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益和開(kāi)采壽命。因此，在礦山開(kāi)采中爆堆體積驗(yàn)收測(cè)量與計(jì)算是一項(xiàng)重要的日常工作。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)對(duì)爆堆體積測(cè)算精度較低，會(huì)影響礦石的回收率，隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，逐步成為空間數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)手段，將三維激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用在爆堆體積計(jì)算中［1]，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，更快速、高效、操作簡(jiǎn)單。爆堆體積的計(jì)算精度與礦山資源回收密切相關(guān)，間接影響礦山采收率、礦石回收率和綜合利用率，影響礦山的可持續(xù)發(fā)展。

2 爆堆體積量算原理

爆堆體積測(cè)量計(jì)算的目標(biāo)求取一定范圍內(nèi)礦石的體積差，而其關(guān)鍵在于爆前現(xiàn)狀和爆后爆堆地形的表達(dá)。三維激光掃描儀具有快速性、不接觸性、動(dòng)態(tài)等特性，可以大面積快速高分辨率地獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因?yàn)楸蟊训匦问菬o(wú)態(tài)、不規(guī)則的，傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能準(zhǔn)確的表達(dá)出來(lái)爆堆形態(tài)，三維激光掃描儀每次可以快速獲取幾十萬(wàn)個(gè)爆堆表面的特征點(diǎn)，能夠細(xì)致的描述爆堆面變化情況，構(gòu)建精細(xì)的爆堆模型，計(jì)算出準(zhǔn)確的爆堆礦方量。它特別適用于測(cè)算體積在動(dòng)態(tài)變化的礦堆，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)出準(zhǔn)確的礦石方量的變化量［2]?；谌S激光掃描儀的爆堆體積量測(cè)，即利用激光測(cè)距原理［3]，通過(guò)計(jì)算脈沖或者相位時(shí)間差，推算出掃描中心距離目標(biāo)的斜距，然后用同時(shí)記錄的激光光束的水平角和垂直角度來(lái)求解物體表面上激光光斑的三維坐標(biāo)，同時(shí)記錄激光點(diǎn)的反射強(qiáng)度值?；讷@取爆堆表面海量點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪、空洞修補(bǔ)和三維建模等一系列的操作，即可求取爆堆體積［4]。

3 爆堆體積量算流程

三維激光掃描爆堆體積計(jì)算主要分為爆堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析與計(jì)算三大步驟，其中爆堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取部分包括控制點(diǎn)的選擇、三維點(diǎn)云的采集和全站儀測(cè)量站點(diǎn)坐標(biāo)獲取等；點(diǎn)云預(yù)處理包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪、抽稀、剔除大型機(jī)械、點(diǎn)云空洞的修補(bǔ)、爆堆裁剪和構(gòu)建爆堆三維模型；數(shù)據(jù)分析與計(jì)算包括爆堆邊界輪廓線提取、爆堆體積計(jì)算和體積對(duì)比驗(yàn)證。具體流程如圖1所示。

圖1 爆堆體積計(jì)算流程圖

4 工程實(shí)例

德興銅礦位于德興市北東68°方向直距約18km，屬于德興市泗洲鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)有公路直通德興市，行程25km；有鐵路與皖贛鐵路樂(lè)平站相通，行程68km，交通方便。礦區(qū)比較大，采用多臺(tái)階分區(qū)開(kāi)采，臺(tái)階高度平均15m；礦山大型機(jī)械較多，開(kāi)采量大，日采規(guī)模能力達(dá)13萬(wàn)t。本次研究采用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行爆堆表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。爆堆區(qū)共設(shè)6個(gè)三維激光掃描站點(diǎn)，同時(shí)，采用徠卡全站儀獲取三維激光掃描站點(diǎn)的絕對(duì)位置，來(lái)配合解決三維激光掃描多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)獲取的爆堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、抽稀、裁剪、三角網(wǎng)構(gòu)建和建立爆堆的三維模型，進(jìn)而精確求取爆堆體積和表面積。

4.1 數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描時(shí)，采用的基本流程：

（1）掃描站的選取。綜合考慮盡量選取最少的掃描站實(shí)施激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，而且盡可能要保證整個(gè)爆堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)的覆蓋。

（2）掃描站點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)的獲取。使用全站儀采用后方交會(huì)進(jìn)行獲取站點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)整合形成完整的爆堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換到礦山坐標(biāo)系下。

（3）掃描儀參數(shù)設(shè)置。為了具有對(duì)比性，所有測(cè)站均設(shè)定為相對(duì)同的三位激光掃描參數(shù)，即水平和垂直方向掃描密度0.004m,視角范圍90°～270°，單站掃描時(shí)間3.5min。

4.2 點(diǎn)云預(yù)處理

激光點(diǎn)云預(yù)處理主要包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪、剔除大型機(jī)械、點(diǎn)云抽稀、構(gòu)建爆堆的三維模型和爆堆體積計(jì)算等操作。

（1）點(diǎn)云配準(zhǔn)。主要是將三維激光掃描儀的工程坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到礦山坐標(biāo)系下。采用基于控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，直接利用Riegl三維激光掃描儀自帶Riscan Pro軟件，導(dǎo)入全站儀測(cè)得掃面站點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)［5-7]。如圖2所示

（2）點(diǎn)云裁剪及噪點(diǎn)和大型機(jī)械剔除［8]。由于數(shù)據(jù)是整體掃描沒(méi)有框選范圍，導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)大量冗余的數(shù)據(jù)，采用創(chuàng)建Polydata進(jìn)行裁剪，這樣既保留了原始數(shù)據(jù)提取出了爆堆有用的數(shù)據(jù)，Polydata點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有反射率屬性，根據(jù)反射率大小設(shè)置閾值進(jìn)行噪點(diǎn)去除。

圖2 基于控制點(diǎn)的多站配準(zhǔn)

（3）大型機(jī)械設(shè)備剔除。運(yùn)用Terrain filter 命令，在設(shè)置最小物體進(jìn)行剔除。使用Surface Comparison命令對(duì)比點(diǎn)云數(shù)據(jù)與粗糙的網(wǎng)格模型進(jìn)行比較，即可剔除大型機(jī)械設(shè)備。圖3、圖4對(duì)比如下：

圖3 未剔除大型機(jī)械

圖4 剔除大型機(jī)械

4.3 三維建模

利用Riscan Pro平臺(tái)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的建立步驟如下：

（1）在三維Riscan Pro軟件中對(duì)需要三角化的點(diǎn)云進(jìn)行選??；

（2）使用三角化工具對(duì)點(diǎn)云三角化的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)包括最大邊長(zhǎng)，最大傾角，最小內(nèi)角，通過(guò)對(duì)其參數(shù)不斷調(diào)整，獲得三角化的表面模型；

（3）最后對(duì)三維模型進(jìn)行光順和平滑。

4.4 爆堆體積計(jì)算

基于爆堆三維模型建立的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，選中 DEM 模型數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊 （measure volume&surface area）按鈕，在接下的窗口中CALCULATION MOOD 下勾選 Raster+triangulation,在 OUTPUT 中勾選 volume 與 Surface area,緊接在PARAMETERS 的 Reference plane 中選擇創(chuàng)建的基準(zhǔn)面，同時(shí)勾選 Create volume(s) as triangulated mesh，Raster size(m)中設(shè)置光柵大小（根據(jù)點(diǎn)云密度），點(diǎn)擊 OK。

4.5 對(duì)比分析

用Riscan Prosan三維建模計(jì)算體積與礦山用的礦量量算軟件用南方CASS進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)用全站儀和三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)分別構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，設(shè)置開(kāi)挖高程面，得到TIN和DEM，進(jìn)而進(jìn)行體積計(jì)算。

傳統(tǒng)軟件Cass進(jìn)行爆堆體積計(jì)算和三維激光掃描方式均以臺(tái)階高度作為基準(zhǔn)面，計(jì)算得到爆堆體積計(jì)算如圖5、圖6所示。

圖5 cass構(gòu)建的TIN

圖6 Riscan Pro構(gòu)建的DEM

從獲取爆堆表面的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)指標(biāo)上來(lái)看，全站儀采集的點(diǎn)數(shù)就200多個(gè)，而地面三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上百萬(wàn)個(gè)；從數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間指標(biāo)上來(lái)看，全站儀采集數(shù)據(jù)所用時(shí)間為3h，是地面三維激光掃描儀的3倍；從效率指標(biāo)對(duì)比來(lái)看，采用地面三維激光掃描方式內(nèi)外業(yè)所用時(shí)間1h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全站儀數(shù)據(jù)采集處理時(shí)間，大大提高了作業(yè)效率，節(jié)省了人力成本。

表1 爆堆量算指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

從計(jì)算結(jié)果上來(lái)看，若以南方CASS軟件計(jì)算的為參照，通過(guò)點(diǎn)云三維建模的方式得到的爆堆體積誤差為1.21%，小于3%，符合工程測(cè)量規(guī)范要求。因?yàn)榈V區(qū)地形復(fù)雜多變，大型機(jī)械比較多，為了安全考慮，有些爆堆難以到達(dá)，相比于傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方法，地面三維激光掃描儀的優(yōu)勢(shì)更加突出。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所用的方法大大提高了測(cè)點(diǎn)的速度和密度，實(shí)際測(cè)量中，三維激光掃描儀的掃描間距達(dá)到毫米級(jí)，增加了測(cè)點(diǎn)密度。RieglVZ-1000 三維激光掃描儀掃描速度300000點(diǎn)/s，每一站掃描約3min，大大提高了測(cè)量速度。從采集的點(diǎn)數(shù)、作業(yè)時(shí)間、投入的人力等指標(biāo)對(duì)比了地面三維激光掃描與傳統(tǒng)的測(cè)量方法在爆堆體積測(cè)量與計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明，地面三維激光掃描方式效率高、工作時(shí)間短、人力投入少，而且爆堆體積精度滿足工程測(cè)量的規(guī)范。地面三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅用于爆堆體積的計(jì)算，還可以解決礦區(qū)地形測(cè)量、鉆孔布置、礦區(qū)開(kāi)采設(shè)計(jì)等問(wèn)題。避免重復(fù)測(cè)量工作為建成數(shù)字化、信息化、智能化礦山提供了一種新的技術(shù)手段。