基于三維激光掃描儀的排土場快速建模

摘 要：排土場一旦發(fā)生事故，不僅影響到礦山的正常生產(chǎn)，也將使礦山蒙受巨大的經(jīng)濟損失，因此，定期對排土場進行容積測算、應(yīng)力分析顯得尤為重要。利用三維激光掃描儀，可以快速獲取排土場的三維點云數(shù)據(jù)，進而利用快速自動配準(zhǔn)算法，建立排土場的完整點云模型。利用該數(shù)據(jù)，可以方便的計算排土場容積，并針對性的進行應(yīng)力分析，預(yù)測排土場的形變趨勢，及時預(yù)防，礦山的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點云配準(zhǔn)；礦山安全

中圖分類號：TD171.178

排土場是一種巨型人工松散堆墊體，存在嚴(yán)重的安全問題。排土場失穩(wěn)將導(dǎo)致礦山土場災(zāi)害和重大工程事故，不僅影響到礦山的正常生產(chǎn)，也將使礦山蒙受巨大的經(jīng)濟損失。

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，被稱為繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。該技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，主要是因其能夠快速且完整的獲得原始測繪數(shù)據(jù)并進行高精度的實物重建，三維激光掃描技術(shù)無需對任何實物的表面進行處理，就直接從實物中進行模型重構(gòu)并快速逆向的采集到三維數(shù)據(jù)，激光點云中的每個數(shù)據(jù)都是真實數(shù)據(jù)，這使得后期數(shù)據(jù)是完全可靠真實的。

利用排土場的點云（point cloud）數(shù)據(jù)所構(gòu)成的Range圖像，可以方便的計算排土場容積，并針對性的進行應(yīng)力分析，預(yù)測排土場的形變趨勢，及時預(yù)防，礦山的安全生產(chǎn)。

1 點云獲取

本文采用MAPTEK公司的I-SITE 8810三維激光掃描儀采集原始數(shù)據(jù)。該掃描儀最長距離可達2000米，200米距離的掃描精度在8mm以內(nèi)，完全滿足排土場測量的精度要求。

輸出文件格式采用開源文件格式VRML，方便數(shù)據(jù)的處理和運算。

2 自動配準(zhǔn)

本文采用文獻[1]中的方法對不同站點采集的深度圖像進行自動粗配準(zhǔn)，該算法的核心思想是將各自局部坐標(biāo)系下的圖像重新用張量（Tensor）網(wǎng)格來表述，算法描述如下：

步驟一：深度圖像張量網(wǎng)格重描述

（1）利用網(wǎng)格簡化算法（Garland’smesh simplification algorithm[2]），簡化深度圖像，每幅圖像保留約500個頂點。

（2）計算簡化后所有頂點的法向量。

（3）將簡化后的圖像轉(zhuǎn)換至對應(yīng)的主軸坐標(biāo)系，并計算其邊界值，計算公式為：=max ?min（）

其中，為頂點坐標(biāo)矩陣，為主軸變換矩陣。

（4）在簡化后深度圖像中任取兩個頂點，如果兩點間的歐氏距離位于閾值內(nèi)，且法向量夾角大于5°，則按以下方式確定新的坐標(biāo)系：兩點連線的中點為原點，兩點法向量的均值確定為Z軸，兩頂點法向量的叉積（Cross）確定為X軸，Z、X軸的叉積確定為Y軸。將頂點坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化至新坐標(biāo)系。

閾值由邊界值確定：tdmax=mean（）/4， tdmin=mean（）/6

（5）以新坐標(biāo)系為中心建立一個10*10*10的張量網(wǎng)格（gird），網(wǎng)格中每個倉（bin）的邊長由邊界值決定：=mean（）/30

（6）計算每一個倉與深度圖像表面的交集，并將該交集表面的面積存入對應(yīng)的倉，得到一個關(guān)于交集面積的索引列表。

步驟二：粗配準(zhǔn)兩幅圖像

（1）對兩幅待配準(zhǔn)圖像，比較兩幅圖像張量網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，若兩個張量網(wǎng)格對應(yīng)的面積索引列表中位于同一索引位置（index）的非空元素數(shù)量滿足設(shè)定閾值，則根據(jù)文獻[1]中的方法計算相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，若不滿足，則計算下一對張量網(wǎng)格。

（2）若所有張量網(wǎng)格均不滿足上述條件，則判定兩幅待配準(zhǔn)圖像不存在重疊區(qū)域。

步驟三：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)上述步驟計，算得到每幅深度圖像對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣。將旋轉(zhuǎn)矩陣應(yīng)用于原始圖像，得到經(jīng)過左邊轉(zhuǎn)換后的新圖像。

3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

將經(jīng)過配準(zhǔn)之后的深度圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)點云處理軟件I-SITE studio，在全局范圍內(nèi)對點云進行融合、簡化，從而得到排土場的完整深度圖像。

利用該圖像，可以快速對排土場進行三維建模，并計算得到其容積。對比不同時間掃描獲取的排土場三維模型，可以分析排土場的形變情況，并做出分析預(yù)測。

4 實驗結(jié)果

本文利用I-SITE 8810三維激光掃描儀對四川省涼山州會理縣的**銅礦排土場進行掃描測量。該排土場占地面積為650畝，總?cè)莘e為3000萬立方米，為獲取排土場的完整數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場勘察，本次掃描共設(shè)26站，每站掃描耗時1-4分鐘，獲取1幅高精度深度圖像。

圖1 排土場初始點云圖像

利用本文所述的自動配準(zhǔn)算法，對26幅圖像進行自動配準(zhǔn)，配準(zhǔn)共耗時10.563秒。配準(zhǔn)后的排土場深度圖像如下：

圖2 配準(zhǔn)后排土場完整點云圖像

在上述步驟的基礎(chǔ)上，利用I-SITE studio軟件，對排土場點云數(shù)據(jù)進行分析，計算排土場容積，繪制等高線圖，建立排土場三維模型。

圖3 左上：數(shù)字高程模型；右上：排土場等高線圖；下：排土場方量計算示意圖

從實驗結(jié)果可以看出，由本文方法測算得到的排土場容積與傳統(tǒng)方法測量的結(jié)果高度吻合。

5 總結(jié)

排土場的精確測繪關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)。傳統(tǒng)的測繪方法耗時耗力，且存在安全隱患，本文闡述了一種利用三維激光掃描儀快速獲取排土場三維數(shù)據(jù)，并進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理的方法。實驗結(jié)果表明，該方法具有非常高的測量效率和測量精度。完全能滿足排土場定期、高精度測量的要求。

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作者簡介：郭萬佳（1981.9.9-），四川大邑人，院長助理，信息系統(tǒng)工程師，研究方向：三維激光掃描技術(shù)與安全生產(chǎn)信息化。

作者單位：四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都 610041