焦步青，李繼鵬

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 地質(zhì)測量中心，山西 朔州 036000）

隨著航測無人機(jī)、三維激光掃描儀等以三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取手段為主的測繪新技術(shù)在露天礦采剝量驗(yàn)收工作中的快速推廣應(yīng)用，由此產(chǎn)生的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用已成為制約該技術(shù)后續(xù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)以點(diǎn)、線數(shù)據(jù)為主要處理對象的二維數(shù)據(jù)處理及計(jì)量方式在數(shù)據(jù)容量、處理方式、處理速度上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理需求。而如何在不增加外業(yè)工作強(qiáng)度的前提下，快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、精簡、合并、存儲、管理，進(jìn)而建立基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的符合露天礦特殊地形條件的三維地表模型，并利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合采剝過程的空間關(guān)系實(shí)現(xiàn)立體計(jì)量已成為露天礦點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用方向[1-2]。為此，以中煤平朔安家?guī)X露天礦采剝量驗(yàn)收工作為例，基于三維激光掃描儀及航測無人機(jī)采集的露天礦點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、采剝量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)報(bào)表等方面全面闡述了大型露天礦三維點(diǎn)云一體化管理軟件在露天礦采剝量驗(yàn)收工作中的應(yīng)用。

1 露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件

露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件是中煤平朔集團(tuán)與華測導(dǎo)航共同合作研發(fā)的一款專為露天礦采剝和監(jiān)測一體化三維數(shù)據(jù)處理的軟件。主要是應(yīng)用露天礦三維一體化數(shù)據(jù)管理軟件中露天礦采剝?nèi)S數(shù)據(jù)處理及計(jì)量部分[3-4]，主要功能包括：①支持?jǐn)?shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入、導(dǎo)出、編輯、操作等的三維點(diǎn)云和模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)操作模塊；②支持點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多種自動化過濾和去噪，并支持自動化分類、精簡、壓平、補(bǔ)空等，同時(shí)支持三維點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)及生產(chǎn)網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)處理模塊；③針對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采剝量自動計(jì)算及統(tǒng)計(jì)模塊。

2 工作流程

采用大型露天礦三維點(diǎn)云一體化管理軟件，從新建項(xiàng)目-建立工期-點(diǎn)云處理-確定工程范圍-采剝量計(jì)算進(jìn)行了露天礦點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全過程處理，點(diǎn)云處理及計(jì)量流程如圖1。

圖1 點(diǎn)云處理及計(jì)量流程

2.1 工期建立

1）建立目的。在露天礦采剝過程中往往采用分層開采方式進(jìn)行，且不同屬性的采剝物料所采用的開采設(shè)備不同，在一個(gè)驗(yàn)收周期內(nèi)，同一區(qū)域可能存在多個(gè)設(shè)備、多種物料的分層作業(yè)。為了能夠快速、準(zhǔn)確完成采剝工程量的計(jì)算、且杜絕數(shù)據(jù)的重復(fù)或丟失，引入了以采剝空間關(guān)系為主要因素的工期概念。該工期概念的引入，不僅使得在同一項(xiàng)目中各工期之間建立了相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系（即每期最終整理形成的采剝后點(diǎn)云數(shù)據(jù)均作為下一期的起始數(shù)據(jù)），且滿足了數(shù)據(jù)及計(jì)算過程的可追溯性。

2）新建工期。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及后續(xù)各項(xiàng)工作前，首先應(yīng)根據(jù)空間關(guān)系建立工期，各工期中導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)采集時(shí)間無關(guān)，僅與點(diǎn)云產(chǎn)生區(qū)域的開采順序有關(guān)，本次共建立4 期。

2.2 點(diǎn)云的管理

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。露天礦點(diǎn)云采集的主要方式為三維激光掃描儀及航測無人機(jī)，上述方法所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為海量空間無組織的離散點(diǎn)云形式。

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理方式。為了能夠高效支持海量數(shù)據(jù)的多細(xì)節(jié)層次瀏覽、查詢、量測，并為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)后期的噪點(diǎn)去除、采樣、著色、數(shù)據(jù)合并和分割等操作處理提供良好的支撐，實(shí)現(xiàn)海量離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的高效管理和分析，軟件引入了點(diǎn)云八叉樹劃分[5－6]的思想，對點(diǎn)云所處的空間區(qū)域劃分為具備八叉樹結(jié)構(gòu)的立方體，點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)由三維坐標(biāo)來確定的對應(yīng)立方體及其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，并利用八叉樹結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，建立點(diǎn)的鄰域關(guān)系。在完成了八叉樹空間分割之后，三維散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)就全部存放在八叉樹的葉結(jié)點(diǎn)中，并可根據(jù)立方體結(jié)點(diǎn)的編號確定出父結(jié)點(diǎn)和兄弟結(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速索引展示。

3）動態(tài)調(diào)度與繪制機(jī)制。對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量處于百萬級到千萬級甚至更高級的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于計(jì)算機(jī)內(nèi)存以及渲染限制，為了實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)度，通過動態(tài)調(diào)度引擎采用前向投影算法根據(jù)觀察視點(diǎn)進(jìn)行八叉樹節(jié)點(diǎn)的動態(tài)調(diào)度以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的多細(xì)節(jié)層次瀏覽。

2.3 點(diǎn)云的處理

受露天礦開采方式的影響，在露天礦區(qū)采用站載激光數(shù)據(jù)解算生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往存在噪聲等問題，這些噪聲主要存在空氣噪點(diǎn)多、運(yùn)行設(shè)備多、灑水及積水區(qū)域反射及折射噪點(diǎn)多等特點(diǎn)。上述噪點(diǎn)是影響點(diǎn)云質(zhì)量及采剝量計(jì)算準(zhǔn)確性的主要因素，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)中必須進(jìn)行處理的部分。就噪點(diǎn)來看，傳統(tǒng)的去噪方式是在點(diǎn)云生成的三維立體模型上[7-8]，人工對高于或低于實(shí)體的噪點(diǎn)進(jìn)行去除。該方式不僅耗時(shí)高，漏刪的情況比較普遍，是制約點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于露天礦的關(guān)鍵要素。

為解決上述問題，盡量減少點(diǎn)云處理過程中的工作量，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、多種方式的點(diǎn)云處理，最終滿足露天礦采剝量計(jì)算工作的要求，在軟件中將該部分內(nèi)容作為重點(diǎn)進(jìn)行了開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了針對不同現(xiàn)場情況的自動化去噪。

1）針對空氣噪點(diǎn)及遠(yuǎn)離實(shí)體噪點(diǎn)的去噪。該部分噪點(diǎn)具有偏離主體點(diǎn)云數(shù)據(jù)、孤立、稀疏、成簇、與主體點(diǎn)云分層、無序等特點(diǎn)。

2）針對作業(yè)設(shè)備的去噪，該部分噪點(diǎn)具有偏離主體點(diǎn)云數(shù)據(jù)、孤立、有序、附著于主體點(diǎn)云之上等特點(diǎn)。

經(jīng)過一系列自動化去噪過程后，實(shí)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)即能達(dá)到真實(shí)反映被測物體現(xiàn)狀的目的，進(jìn)而進(jìn)入計(jì)量環(huán)節(jié)。

2.4 采剝量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)

在露天礦采剝量計(jì)算過程中，工程變化區(qū)域范圍的確定是影響采剝量計(jì)算準(zhǔn)確性的另一個(gè)重要因素。故在完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，采剝量計(jì)算的主要工作集中為工程變化范圍的確定、工程物料屬性及作業(yè)設(shè)備的確定。

1）工程變化范圍的確定。工程變化范圍的確定主要是在外業(yè)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，依據(jù)開采前、后點(diǎn)云模型進(jìn)行確定。工程變化范圍確定的基本原則為自開挖前坡頂至開挖后坡底，并結(jié)合現(xiàn)場自然分界及調(diào)繪邊界確定。

2）工程變化范圍附屬性。在傳統(tǒng)的采剝量計(jì)量過程中一般不會對工程變化范圍所代表的屬性進(jìn)行記錄，當(dāng)采剝量計(jì)算工作結(jié)束后，如需對不同作業(yè)設(shè)備或不同類型采剝量進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)時(shí)，必須由人工進(jìn)行篩查累加，不僅工作量大而且極易發(fā)生統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤。為解決上述問題并便于后期備查，軟件在工程變化范圍確定后，對各工程變化范圍對應(yīng)區(qū)域的作業(yè)設(shè)備、測量日期、所屬平盤、巖土類型、經(jīng)營類型等信息進(jìn)行了備注，屬性備注后，工程變化范圍將根據(jù)屬性信息進(jìn)行渲染。

3）工程變化區(qū)域數(shù)據(jù)更新。在確定了工程變化范圍后，為防止數(shù)據(jù)未更新導(dǎo)致同一區(qū)域重復(fù)計(jì)量的問題，將數(shù)據(jù)更新工作置于計(jì)量工作前期開展，主要是利用新采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對對應(yīng)工程變化范圍內(nèi)的礦坑歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵更新，并形成新的礦坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云更新過程及更新前、后對比界面如圖2。

4）采剝量計(jì)算。利用歷史礦坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)、新礦坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)及工程變化范圍，對所有工程變化范圍產(chǎn)生的采剝量進(jìn)行一鍵計(jì)算。

5）采剝量統(tǒng)計(jì)。由于在前期計(jì)算過程中，已經(jīng)對所有工程變化范圍進(jìn)行了屬性賦值，故在計(jì)算過程完成后，可根據(jù)作業(yè)類型、作業(yè)設(shè)備、物料屬性等不同條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)語

隨著航測無人機(jī)及三維掃描技術(shù)在露天礦的推廣應(yīng)用，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模及采剝量計(jì)算已逐步成為主要的工作方式。通過建立高效的索引存儲結(jié)構(gòu)，不僅可以提高空間查詢速度，還可以節(jié)省存儲空間并為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)，同時(shí)通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及采剝量計(jì)算、統(tǒng)計(jì)過程的定制、規(guī)范及簡化，極大了降低了內(nèi)業(yè)工作強(qiáng)度、提供了工作效率，且解決了數(shù)據(jù)存儲不規(guī)范、記錄不規(guī)范等問題導(dǎo)致的備查難等問題。