利用激光點云數(shù)據(jù)計算采石場開采量方法研究

謝宏全，徐瑞基，龍 輝，盧 霞，王 晨

(1.淮海工學院 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007)

利用激光點云數(shù)據(jù)計算采石場開采量方法研究

謝宏全1,2，徐瑞基1，龍 輝3，盧 霞1，王 晨4

(1.淮海工學院 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590；3.江蘇萬源測繪地理信息有限公司，江蘇 連云港 222001；4.地球化學勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007)

采石場開采量計算，由于傳統(tǒng)測量方法存在獲取數(shù)據(jù)量少、精度低、復(fù)雜地形獲取數(shù)據(jù)困難等問題，利用激光點云數(shù)據(jù)計算采石場開采量具有重要的研究意義。選擇李莊采石場作為研究對象，利用徠卡C10獲取點云數(shù)據(jù)，運用Cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，Geomagic軟件對預(yù)處理數(shù)據(jù)進行精簡。采用Cyclone，HD-3LS-SCENE,CASS軟件對開采量分別進行計算，詳細對比分析計算結(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)軟件多種性能指標的對比研究，確定采石場開采量行之有效的計算方法。

點云數(shù)據(jù)；Cyclone；采石場；開采量；精度

利用三維激光掃描技術(shù)可以獲得高密度點云數(shù)據(jù)進行體積計算，解決了復(fù)雜礦山開采與儲量的測量精度問題。近年來國內(nèi)一些學者進行了相關(guān)研究，主要成果：任恒星[1]針對采用拓普康IS影像三維掃描全站儀獲取高精度的激光點云數(shù)據(jù)構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)計算土方量的方法進行了試驗研究；蘇春艷等[2]采用Lecia HDS ScanStation2以工程堆積的垃圾為實例，對堆積物體積計算的流程與方法進行了研究；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。目前采用地面三維激光掃描技術(shù)針對采石場的開采量變化研究非常少，計算方法也不太相同。本論文的研究目的在于尋找一種比較好的計算方法，利用徠卡C10獲取李莊采石場的點云數(shù)據(jù)，采用Cyclone與Geomagic軟件處理數(shù)據(jù)，利用Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS軟件求取采石場開采量并對計算結(jié)果進行對比分析。

1 研究區(qū)概況與點云數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

李莊采石場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)有一個水庫。采石場是一座孤立的礦山，比較空曠，行人和車輛經(jīng)過較少。由于開采的緣故，導致采石場地貌形狀不規(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 采石場斷面外觀

1.2 點云數(shù)據(jù)獲取

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

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

2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 噪聲處理與范圍的統(tǒng)一

將掃描的激光點云數(shù)據(jù)導入徠卡C10隨機數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0[7-9]，對軟件自動拼接的點云數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，證明點云數(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，對研究區(qū)域外點云粗略刪除[10-11]。

計算采石場開采量利用RTK測量的數(shù)據(jù)與三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)進行對比，在進行數(shù)據(jù)處理時，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，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，再導入Cyclone軟件，刪除研究區(qū)域范圍以外的點云數(shù)據(jù)。

2.2 點云數(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，對三維激光掃描的數(shù)據(jù)進行抽稀處理。在Cyclone軟件中，對點云數(shù)據(jù)進行均一化處理。為了與傳統(tǒng)方法保持精度基本一致，便于數(shù)據(jù)間的研究對比，確定點云間隔為5 m進行點云均一化處理(見圖2)。

圖2 點云數(shù)據(jù)均一化處理結(jié)果

2.3 點云數(shù)據(jù)的精簡

利用Cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)去噪處理后，點云數(shù)據(jù)仍然存在一些噪聲點、體外孤點等影響點云質(zhì)量的因素，可以采用Geomagic軟件進行點云數(shù)據(jù)的精簡[12]。將Cyclone軟件處理得到的結(jié)果保存為xyz格式文件，在Geomagic軟件進行數(shù)據(jù)精簡的主要過程[13-14]：“數(shù)據(jù)導入—點云數(shù)據(jù)著色—去除體外孤點及非連接項—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 采石場開采量的計算

根據(jù)相關(guān)研究文獻，可以采用不同軟件計算采石場開采量。本研究選擇Cyclone、HD-3LS-SCENE、CASS三種軟件求取采石場開采量，以精簡后的點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對三種軟件求取開采量的方法做簡要介紹。

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，具有處理點云數(shù)據(jù)與建模的功能。 依據(jù)Cyclone軟件提供的計算體積的功能，不能將兩期的數(shù)據(jù)直接進行疊加求差值，需要分別計算每期的體積，然后求差，差值即為采石場開采量[15]。

Cyclone軟件求取體積的主要技術(shù)：將Geomagic精簡處理后的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，軟件自動計算點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即為計算開采量所需要的數(shù)據(jù)。

因為兩期數(shù)據(jù)計算挖方量的差值為開采量，要求取2006年數(shù)據(jù)的挖方量，因為提供的2006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，再導入Cyclone軟件，按照以上方法，計算挖方量為1 006 949 m3，將兩期的挖方量求差值即為采石場開采量，將計算結(jié)果填入表1中。

3.2 HD-3LS-SCENE軟件求取開采量

HD-3LS-SCENE軟件是武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司自主研發(fā)的點云數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件支持點云渲染、點云選擇、量測分析、堆體體積計算。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，差值即為采石場的開采量。

HD-3LS-SCENE軟件主要技術(shù)思路：將Geomagic精簡處理后的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，點擊菜單中“點云分析”設(shè)置投影點云參數(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開采量，計算結(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提供了多種土方計算方法，對不同工程條件可靈活地采用合適的土方計算模型[18]。

CASS軟件主要技術(shù)思路是：將Geomagic精簡保存的5 m抽稀點云數(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法計算兩期土方[19]，利用兩期三角網(wǎng)文件系統(tǒng)計算土方量，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)計與分析

4.1 開采量結(jié)果統(tǒng)計

三種軟件求取的采石場開采量及相應(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)之差取的絕對值?！鱒CY/V，△VHD/V，△VCA/V為三種軟件計算結(jié)果與平均數(shù)之差與平均數(shù)的比值。VRTK為2015年利用RTK測量的數(shù)據(jù)在CASS軟件中求取的開采量。

表1 開采量計算結(jié)果統(tǒng)計

4.2 開采量計算結(jié)果分析

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

針對三種軟件的性能及計算開采量結(jié)果的精度，詳細的對比分析闡述如下：

1)Cyclone軟件。Cyclone軟件是具有較高知識產(chǎn)權(quán)的隨機數(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或相關(guān)人員的指導，軟件使用上比較困難。操作步驟比較繁瑣，軟件功能比較強大，能夠計算采石場開采量。由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計看出：Cyclone在計算開采量方面誤差較小。對比三種軟件可知：Cyclone軟件在求取開采量方面精度最高，滿足工程測量需要。

表2 軟件性能對比結(jié)果

2)HD-3LS-SCENE軟件。HD-3LS-SCENE軟件在獲取方面比較困難，正版軟件花費較高，軟件試用期都是短暫的。軟件操作上比較復(fù)雜，計算時間需要40 min，在三種軟件中計算速度最慢。在精度方面，由表2統(tǒng)計結(jié)果看出：相比于其他兩個軟件，在相同的條件下，精度最低，因此在對精度要求不是很高的情況下，能夠使用HD-3LS-SCENE軟件計算開采量。

3)CASS軟件。該軟件運用比較普遍，能夠識別多種格式的數(shù)據(jù)文件。該軟件操作簡單快捷，在短時間內(nèi)求取土方量，而且在求取兩期土方量的過程中，實現(xiàn)一步到位，減少了后期大量的手工計算。在計算精度方面，由表2統(tǒng)計結(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

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

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[責任編輯：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.利用激光點云數(shù)據(jù)計算采石場開采量方法研究[J].測繪工程，2017，26(11)：41-44.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.009

2016-11-17

國家自然科學基金資助項目(41506106)；海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；江蘇省海洋科學技術(shù)優(yōu)勢學科建設(shè)項目(2014137)

謝宏全(1964-)，男，教授，博士.

P225.2

A

1006-7949(2017)11-0041-04