三維激光掃描技術(shù)在露天礦山方量測算方面的應(yīng)用

莫 豹，歐陽天云

（保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550002）

三維激光掃描技術(shù)[1-3]是目前國際上最先進(jìn)的獲取地面空間多目標(biāo)三維數(shù)據(jù)的長距離影像的測量技術(shù)，它將傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的點(diǎn)測量擴(kuò)展到面測量，它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型、復(fù)雜實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及點(diǎn)、線、面、體等各種幾何數(shù)據(jù)，而且它所采集到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行多種后處理工作。新疆別斯庫都克露天煤礦以往的方量測算主要是通過RTK現(xiàn)場測點(diǎn)，然后將大量的單點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3DMine中，通過三角網(wǎng)法計(jì)算方量，礦山的三維模型亦是由此得到，但是測算數(shù)據(jù)的精度較低，嚴(yán)重制約于現(xiàn)場所測點(diǎn)的數(shù)量、點(diǎn)的密度以及重點(diǎn)位置測點(diǎn)的方位。而三維激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取上極為方便，可大大簡化數(shù)據(jù)的獲取流程，為方量測算提供了一種極為便捷的方式[4]。

1 設(shè)備簡介

FARO?Laser Scanner Focus3D X 330是一種精密的測量設(shè)備，可產(chǎn)生照片一般逼真的三維圖像，它具有高精度、高分辨率、高速獲取數(shù)據(jù)等特征，可通過內(nèi)置觸摸屏進(jìn)行直觀控制。

Focus3D X 330使用相位偏移技術(shù)測量距離。這意味著使用不同長度的等幅波對激光束進(jìn)行調(diào)制。通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對象的距離。借助特殊的調(diào)制技術(shù)，HYPERMODULATIONTM可大幅提高調(diào)制信號(hào)的信噪比。之后，通過使用角度編碼器測量Focus3D X 330的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，同時(shí)使用距離測量對這些角度進(jìn)行編碼。距離、垂直角度和水平角度組成極坐標(biāo)(δ,α,β)，該坐標(biāo)隨后會(huì)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)（x,y,z）。掃描儀可覆蓋360°×300°的視野[5]。

2 數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)主要是在RTK的配合下在現(xiàn)場對特定位置進(jìn)行掃描，由于激光的直線傳播原理，為了更好的獲取待掃描區(qū)域的數(shù)據(jù)模型，避免因掃描對象的不規(guī)整而導(dǎo)致出現(xiàn)掃描空洞，一般配置多個(gè)站對目標(biāo)對象實(shí)行環(huán)繞式覆蓋掃描，掃描完成將各個(gè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，進(jìn)而得到目標(biāo)對象的三維點(diǎn)云模型[6]。

在激光掃描儀掃描測量之前，利用RTK獲取掃描區(qū)域內(nèi)的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，此四點(diǎn)不可共面，用于確定掃描儀在空間中的位置，為了方便后期各站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，對每一個(gè)站點(diǎn)均需確定其空間位置。掃描儀的參數(shù)設(shè)定上根據(jù)現(xiàn)場情況和后期需求選定，比如是室內(nèi)測量還是室外測量、長距離或者短距離、分辨率大小、是否獲取掃描對象的顏色等。為了更快的獲取掃描區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及減少數(shù)據(jù)內(nèi)存，可通過設(shè)定垂直和水平的測量角度，讓掃描儀只獲取待掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取完畢便可通過自帶軟件進(jìn)行后處理，得到掃描區(qū)域的三維點(diǎn)云模型。

3 數(shù)據(jù)后處理

獲取掃描數(shù)據(jù)后便可導(dǎo)入三維激光掃描儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件SCNCE進(jìn)行后續(xù)處理，數(shù)據(jù)的后處理需要經(jīng)過以下五個(gè)步驟：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→自動(dòng)拼接→裁剪、數(shù)據(jù)導(dǎo)出→轉(zhuǎn)換格式、形成dat文件。下面對各個(gè)步驟簡要概述。

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀所認(rèn)可的用來確定站點(diǎn)空間位置的靶點(diǎn)的坐標(biāo)順序?yàn)椋‥，N，H），即東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程。而通過RTK獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)順序?yàn)椋∟，E，H），在EXCEL中需要先將該坐標(biāo)的東坐標(biāo)和北坐標(biāo)位置互換。然后將靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)拖入SCNCE軟件，進(jìn)行后續(xù)自動(dòng)拼接操作。

3.2 自動(dòng)拼接

將RTK獲取的靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)在群級(jí)別導(dǎo)入，打開各個(gè)站點(diǎn)的快速視圖，選取工具欄中的“標(biāo)記棋盤板目標(biāo)”，按順序標(biāo)記視圖中的各個(gè)靶紙，將名稱與RTK點(diǎn)坐標(biāo)一一對應(yīng)，依次完成各個(gè)站點(diǎn)的操作。然后執(zhí)行操作→注冊→布置掃描→按手動(dòng)目標(biāo)強(qiáng)制對應(yīng)→完成[7，8]。

3.3 裁剪、數(shù)據(jù)導(dǎo)出

完成各個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云拼接后，便可對其進(jìn)行剪裁，刪除掃描對象之外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)選工具欄中的多邊形選擇器，在對應(yīng)視圖中框選我們所要保留的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，右鍵選擇刪除外部選擇，也可框選待刪除的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，右鍵選擇刪除內(nèi)部選擇，清除無用點(diǎn)云后效果見圖1。

圖1 點(diǎn)云效果圖

3.4 轉(zhuǎn)換格式形成dat文件

得到配準(zhǔn)后的點(diǎn)云后導(dǎo)出掃描，選擇XYZ數(shù)據(jù)格式，由于通過激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)量較大，在方量測算允許的誤差范圍內(nèi)對點(diǎn)云進(jìn)行抽稀，在子樣本中對行、列進(jìn)行設(shè)置，數(shù)值代表的是每幾行（列）只取一行（列）。將生成的XYZ點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL中，刪除代表點(diǎn)云顏色的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)的前面插入序列，增加一個(gè)空格，保存該數(shù)據(jù)格式。在記事本中打開該文件，將空格替換為逗號(hào)，將xyz后綴改為dat后綴，即完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的設(shè)置，見圖2。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式

4 導(dǎo)入CASS計(jì)算方量

打開南方CASS，在繪圖處理中選擇展野外測點(diǎn)點(diǎn)位，在正視圖中利用復(fù)合線框選出計(jì)算區(qū)域的邊界線，依次選擇工程應(yīng)用→DTM法土方計(jì)算→根據(jù)坐標(biāo)文件→點(diǎn)選計(jì)算區(qū)域邊界線→選擇導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸入標(biāo)高（例：本例待計(jì)算的平盤位于1228水平，平盤高度為12m，平場標(biāo)高輸入1216），邊界采樣間距一般設(shè)為10m，該值越小，計(jì)算精度越高，點(diǎn)選確定之后便會(huì)自動(dòng)計(jì)算方量[9-11]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 方量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

（1）三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的在三維空間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)信息的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的工程測量方法相比，該技術(shù)能夠迅速的無接觸的獲取高精度和高密度的地物數(shù)據(jù)，有效的提高了工程測量的效率和精度。

（2）利用三維激光掃描技術(shù)獲取礦山的三維數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方量測算，與傳統(tǒng)收方測算相比，大大簡化了數(shù)據(jù)獲取流程、提高了方量測算速度，計(jì)算的結(jié)果也較以往更為精確。

（3）目前，軟件對三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)的處理效率較低，也制約了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，隨著相關(guān)內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，三維激光掃描技術(shù)將會(huì)迎來更大的應(yīng)用前景。