礦洞三維建模的技術(shù)分析及作業(yè)研究

龔 平

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局一總隊(duì)，貴州 清鎮(zhèn) 551400）

隨著近些年我國(guó)旅游事業(yè)的不斷發(fā)展，各地先后出現(xiàn)了眾多礦洞項(xiàng)目，并由此生成了諸多的礦洞建模需求。而在以往的礦洞建模工作當(dāng)中，工作人員大多選擇采用建立實(shí)體模型的方式，但由于受到施工條件等因素的影響，導(dǎo)致建模步驟較為復(fù)雜、繁瑣、涉及的參數(shù)信息眾多，在一定程度上影響了建模效率。因此本文將嘗試立足礦洞實(shí)際情況，運(yùn)用三維建模技術(shù)以有效解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 測(cè)區(qū)概況

為有效研究礦洞三維建模技術(shù)與作業(yè)，本文將以萬(wàn)山汞礦18號(hào)至3號(hào)洞礦洞項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目中礦洞總長(zhǎng)在1.5公里左右，礦洞寬度大約為2m。而本測(cè)區(qū)則位于萬(wàn)山鎮(zhèn)萬(wàn)山國(guó)家礦山公園入口附近，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°12′，北緯27°32′，測(cè)區(qū)內(nèi)擁有一個(gè)主礦洞和數(shù)條支洞。礦洞總共擁有三個(gè)采礦區(qū)，礦區(qū)面積分別約為9.87畝、7.63畝以及3.56畝。為了保障礦洞作業(yè)的規(guī)范性、有序性，且最終的測(cè)繪成果技術(shù)規(guī)格與質(zhì)量水平均與用戶實(shí)際需求相符合，需要對(duì)礦洞進(jìn)行三維建模。

2 礦洞三維建模與作業(yè)分析

（1）前期準(zhǔn)備工作。在此次進(jìn)行礦洞三維建模當(dāng)中，其最為重要的三大認(rèn)為分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及礦洞作業(yè)。為了能夠在切實(shí)保障礦洞三維建模質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能提高建模效率，為此工作人員在此番礦洞三維建模中選擇使用一臺(tái)掃描效率可以達(dá)到每秒976000點(diǎn)數(shù)的三維激光掃描儀，用以負(fù)責(zé)完成各項(xiàng)關(guān)于礦洞的信息數(shù)據(jù)的采集工作。同時(shí)搭配使用Scene軟件以及Geomagic Studio 2012模型處理軟件負(fù)責(zé)快速、精準(zhǔn)地完成對(duì)采集得到的各項(xiàng)礦洞信息數(shù)據(jù)的處理工作。此外，還需要各配置一臺(tái)性能良好的打印機(jī)與五臺(tái)計(jì)算機(jī)，用以為后續(xù)的礦洞作業(yè)的實(shí)施以及監(jiān)督管理提供必要技術(shù)支撐。在正式使用上述儀器設(shè)備前，工作人員需要對(duì)所有設(shè)備儀器進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，確保其能夠與作業(yè)要求完全符合[1]。在將工程坐標(biāo)系統(tǒng)作為此次礦洞三維建模項(xiàng)目的坐標(biāo)系統(tǒng)，并嚴(yán)格依照《工程測(cè)量規(guī)范》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，有序開(kāi)展礦洞三維建模。

（2）采集外業(yè)數(shù)據(jù)。在采集外業(yè)數(shù)據(jù)的過(guò)程當(dāng)中，工作人員首先通過(guò)對(duì)所測(cè)區(qū)域進(jìn)行全方面的實(shí)地勘查，確定掃描站點(diǎn)的具體數(shù)量并有效明確架設(shè)站點(diǎn)的最優(yōu)位置，從而使得在實(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)能夠有最大效率架設(shè)基站。通過(guò)結(jié)合實(shí)地勘查結(jié)果可知，本項(xiàng)目最佳掃描站點(diǎn)距離為15m，在考慮轉(zhuǎn)站方便的基礎(chǔ)上，將能夠保障掃描范圍最大化的位置設(shè)置為站點(diǎn)架設(shè)位置。在依照相關(guān)規(guī)范要求完成站點(diǎn)的設(shè)置之后，需要工作人員采用三維激光掃描儀根據(jù)從內(nèi)到外的順序，依次按照編號(hào)進(jìn)行掃描[2]。在將標(biāo)靶球放置在制定位置以方便轉(zhuǎn)站之后，設(shè)定掃描儀的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，此后需要工作人員對(duì)掃描儀進(jìn)行初始化處理，在完成上述操作后方可正式進(jìn)行掃描。當(dāng)完成所有站點(diǎn)的掃描工作之后，三維激光掃描儀所獲取的所有信息數(shù)據(jù)將被統(tǒng)一默認(rèn)存儲(chǔ)在儲(chǔ)存卡當(dāng)中，此時(shí)工作人員通過(guò)依次移動(dòng)標(biāo)靶球，轉(zhuǎn)站進(jìn)行下一站掃描。

（3）處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程當(dāng)中，工作人員首先需要將三維激光掃描儀當(dāng)中自帶的內(nèi)存卡取出，并將存儲(chǔ)在內(nèi)存卡中的掃描結(jié)果復(fù)制到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。隨后需要工作人員啟動(dòng)與掃描儀相配套的數(shù)據(jù)處理軟件Scene，將所有需要進(jìn)行分析處理的掃描數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入其中。而考慮到此次礦洞三維建模當(dāng)中獲得的掃描數(shù)據(jù)眾多，掃描站點(diǎn)共計(jì)98個(gè)，因此需要采用分組處理的方式對(duì)各站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理。

在依次加載每一站掃描結(jié)果之后，將對(duì)應(yīng)視圖打開(kāi)，并軟件識(shí)別的標(biāo)靶球進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)記，直至完成所有的標(biāo)靶球識(shí)別后再進(jìn)行站點(diǎn)拼接。此時(shí)工作人員需要將Geomagic Studio 2012（64 bit）軟件打開(kāi)，進(jìn)行格式為PTS的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的依次加載，而后依照實(shí)際建模需求選擇有效點(diǎn)云分布與數(shù)量。此后重新對(duì)不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，便可以進(jìn)入封裝成模的環(huán)節(jié)。但考慮到在此次礦洞三維建模當(dāng)中，礦洞本身屬于不規(guī)則圖形，因而需要依照三角網(wǎng)模型構(gòu)建礦洞三維模型，最后將客戶所需模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一設(shè)置成OBJ格式并進(jìn)行有效保存即可。

3 礦洞三維建模與作業(yè)的質(zhì)量評(píng)價(jià)管理

在完成所有礦洞三維建模與作業(yè)之后，需要嚴(yán)格依照《測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)定》，由相關(guān)負(fù)責(zé)人與工作人員負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)業(yè)以及外業(yè)質(zhì)量進(jìn)行全面監(jiān)督檢查，以保障內(nèi)外業(yè)質(zhì)量與規(guī)定要求相符合。值得注意的是，在作業(yè)之前需要統(tǒng)一組織所有參加作業(yè)的人員進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)與安全教育，使其能夠扎實(shí)掌握基本的操作技能，形成較高的安全意識(shí)[3]。在使用各項(xiàng)儀器設(shè)備之前可以統(tǒng)一對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和校正處理，以有效保證測(cè)繪儀器設(shè)備本身的質(zhì)量以及規(guī)格、性能等滿足相關(guān)要求。而在作業(yè)期間，需要根據(jù)具體工序，分階段依次檢查審核測(cè)繪成果與建立的礦洞三維模型，以便可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題并進(jìn)行有效糾正。當(dāng)所有建模和作業(yè)工作完成之后，則由單位組織對(duì)此次礦洞三維建模工作進(jìn)行單位級(jí)驗(yàn)收。

根據(jù)最終的驗(yàn)收結(jié)果顯示，本項(xiàng)目中使用的三維掃描儀器等設(shè)備具有較高的精度，方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理，所使用的測(cè)量方法精準(zhǔn)無(wú)誤，在充分利用儀器掃描數(shù)據(jù)和軟件模型處理下所建立起的礦洞三維模型以及最終獲得的成果數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)量水平，與客戶三維模型精度要求相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)以萬(wàn)山汞礦18號(hào)至3號(hào)洞礦洞項(xiàng)目為例，對(duì)礦洞內(nèi)三維建模與作業(yè)展開(kāi)分析研究，指出在嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求下借助三維激光掃描儀以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件和模型處理軟件下，所建立的礦洞三維模型滿足各項(xiàng)用戶需求。工作人員也通過(guò)依照具體控制流程，逐級(jí)、逐項(xiàng)地對(duì)該礦洞項(xiàng)目展開(kāi)了評(píng)審工作，使得建模與測(cè)繪任務(wù)均實(shí)現(xiàn)了有序進(jìn)行。而該三維建模技術(shù)在礦洞項(xiàng)目當(dāng)中所表現(xiàn)出的針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特性也為其在其他礦洞項(xiàng)目中的廣泛運(yùn)用提供了重要的可行性。在實(shí)際操作時(shí)，工作人員也需要落實(shí)好各項(xiàng)儀器設(shè)備的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)工作，確定正確的工程坐標(biāo)系統(tǒng)，合理選擇掃描站點(diǎn)的數(shù)量以及站點(diǎn)架設(shè)位置等，從而使得三維建模技術(shù)的應(yīng)有效用能夠得到充分發(fā)揮。