利用激光点云数据计算采石场开采量方法研究

利用激光点云数据计算采石场开采量方法研究

发表时间：2018-08-09T10:41:29.817Z 来源：《新材料.新装饰》2018年2月下作者：李光

[导读] 为了调查矿山开采现状，估算矿山保有资源量，政府定期要对采石场资源储量进行核实。一般采用免棱镜全站仪进行测量评估，但因地形复杂，测量误差难以避免。而激光扫描技术克服了这些缺点，为储量监测提供了快捷的途径。应用激光扫描技术在土方量计算、矿山地形快速测量、土方变化量监测等方面一些学者进行了系统研究。

（齐齐哈尔矿产勘察开发总院，黑龙江省齐齐哈尔市 161000）

摘要：为了调查矿山开采现状，估算矿山保有资源量，政府定期要对采石场资源储量进行核实。一般采用免棱镜全站仪进行测量评估，但因地形复杂，测量误差难以避免。而激光扫描技术克服了这些缺点，为储量监测提供了快捷的途径。应用激光扫描技术在土方量计算、矿山地形快速测量、土方变化量监测等方面一些学者进行了系统研究。使用三维激光扫描仪对矿堆进行了扫描，对扫描数据进行三维建模后测算矿堆的矿方量。本文分析了利用激光点云数据计算采石场开采量方法。

关键词：激光点云数据；计算采石场；开采量方法；

利用三维激光扫描技术可以获得高密度点云数据进行体积计算，解决了复杂矿山开采与储量的测量精度问题。近年来国内一些学者进行了相关研究，基于三维激光扫描技术的土方量算满足精度要求，给出了在土方量算应用中的相关定量指标。目前采用地面三维激光扫描技术针对采石场的开采量变化研究非常少，计算方法也不太相同。

一、点云数据获取

某采石场开采量的详细数据为了达到扫描的目的和精度要求，结合采石场的环境和地形本身复杂的结构特点，扫描仪获取数据的特点,决定采用全站仪模式对采石场进行扫描｡为了保证前后两期坐标的一致性,两期数据都是利用RTK 测量控制点坐标｡根据采石场的地形和范围,根据地形情况,将扫描路线设置为闭合导线,共有导线点12 个,每站架设仪器进行扫描,采用中等分辨率 (10 cm/100 m),每站操作时间大约为30 min ,大约测量7 h完成采石场的数据采集工作｡一是噪声处理与范围的统一｡将扫描的激光点云数据导入随机数据处理软件Cyclone ，对软件自动拼接的点云数据进行质量检查，证明点云数据完整可用。利用软件去噪功能，通过放大与旋转操作，对研究区域外点云粗略删除。计算采石场开采量利用RTK 测量的数据与三维激光扫描的点云数据进行对比，在进行数据处理时，要保证两者范围的一致性，主要以地形图数据为基准，利用CASS 软件确定范围边界线，将处理后的数据保存为txt 格式文件,再导入Cyclone软件,删除研究区域范围以外的点云数据｡二是点云数据均一化处理｡为了地形图数据精度上大致保持相同,对三维激光扫描的数据进行抽稀处理｡在Cyclone软件中,对点云数据进行均一化处理｡为了与传统方法保持精度基本一致,便于数据间的研究对比,确定点云间隔为5 m 进行点云均一化处理(见图2)｡三是点云数据的精简｡利用Cyclone 软件对点云数据去噪处理后,点云数据仍然存在一些噪声点､体外孤点等影响点云质量的因素,可以采用Geomagic 软件进行点云数据的精简｡将Cyclone 软件处理得到的结果保存为xyz 格式文件,在Geomagic 软件进行数据精简的主要过程:“数据导入— 点云数据着色—去除体外孤点及非连接项—减少噪音—数据采样— 数据封装”,将处理后的数据保存为vtx 格式文件｡

二､利用激光点云数据计算采石场开采量方法

1. 开采量的方法｡为了获取采石场两期间进行精确计算的开采量,要对采石场的开采区域范围进行精确的确定,根据点云数据的范围来确定矿山采集区域的模型的区域范围,从而确保建立的矿山采集区域模型范围与实际矿山范围尽量一致来保证矿山开采量的准确性｡一是Cyclone 软件求取开采量｡Cyclone 软件是具有处理点云数据与建模的功能｡依据Cyclone软件提供的计算体积的功能,不能将两期的数据直接进行叠加求差值,需要分别计算每期的体积,然后求差,差值即为采石场开采量｡Cyclone 软件求取体积的主要技术:将Geomagic 精简处理后的vtx格式文件后缀修改为txt 格式,然后打开文件,选择所有点云数据,创建TIN 模型;执行命令,软件自动计算点云到参考面的挖方量和填方量,其中挖方量(Cut V olume)为1252641 m3即为计算开采量所需要的数据｡因为两期数据计算挖方量的差值为开采量,要求取数据的挖方量,因为提供的数据文件格式是dat 格式,将dat 格式的文件转换为txt 格式,再导入Cyclone 软件,按照以上方法,计算挖方量为1006949 m3 ,将两期的挖方量求差值即为采石场开采量,｡二是HD‐3LS‐SCENE 软件求取开采量｡HD‐3LS‐SCENE软件支持点云渲染､点云选择､量测分析､堆体体积计算｡此次研究主要是根据需求以及数据的密度,设置网格大小,求取每一期堆体体积,然后做差,差值即为采石场的开采量｡HD‐3LS‐SCENE 软件主要技术思路:将Geomagic 精简处理后的格式文件后缀修改为txt 格式,再用Cyclone 软件打开,保存为xyz 格式文件｡利用导入经Cyclone软件处理后的xyz 格式文件,保存为文件,再打开格式文件,转换为格式文件,通过软件加载格式文件,点击菜单中“点云分析”设置投影点云参数生成DEM ,求取体积,将格式的数据利用Excel 表格处理转换为txt 格式文件,再导入Cyclone 软件,然后保存为xyz 格式文件,按照上述求取体积的步骤求取地形图数据的体积,三是CASS 软件求取开采量｡CASS 软件一套集地形､地籍､空间数据建库､工程应用､土石方量算等功能为一体的软件系统｡CASS 提供了多种土方计算方法,对不同工程条件可灵活地采用合适的土方计算模型｡CASS 软件主要技术思路是:将Geomagic 精简保存的5m点云数据vtx 格式文件后缀修改为格式,再利用Excel 表格将格式文件转换为dat 格式文件保存,利用CASS 软件打开格式文件,将数据转换为格式文件,根据利用CASS 软件将数据转换为格式文件｡在CASS 软件选择DTM 法计算两期土方｡

2.开采量计算结果分析｡针对以上计算结果,从计算开采量的技术可行性､计算的精度､软件操作的难易程度等方面进行对比分析｡针对三种软件的性能及计算开采量结果的精度,详细的对比分析阐述如下:1)Cyclone 软件｡Cyclone 软件是具有较高知识产权的随机数据处理软件,普通用户获取难｡该软件的界面与软件说明书都是英文的,如果没有专门的培训或相关人员的指导,软件使用上比较困难｡操作步骤比较繁琐,软件功能比较强大,能够计算采石场开采量｡Cyclone在计算开采量方面误差较小｡对比三种软件可知:Cyclone 软件在求取开采量方面精度最高,满足工程测量需要｡2)HD‐3LS‐SCENE 软件｡HD‐3LS‐SCENE 软件在获取方面比较困难,正版软件花费较高,软件试用期都是短暂的｡软件操作上比较复杂,计算时间需要40 min ,在三种软件中计算速度最慢｡在精度方面相比于其他两个软件,在相同的条件下,精度最低,因此在对精度要求不是很高的情况下,能够使用HD‐3LS‐SCENE 软件计算开采量｡3)CASS 软件｡该软件运用比较普遍,能够识别多种格式的数据文件｡该软件操作简单快捷,在短时间内求取土方量，而且在求取两期土方量的过程中，实现一步到位，减少了后期大量的手工计算。在计算精度方面，CASS 软件获取较高的精度，所以在精度要求不是很高的情况下，CASS软件能够快速求取体积，作为优先考虑的软件。

通过对采石场开采量计算结果表明：利用激光点云数据的采石场开采量计算技术可行、精度满足工程需要。Cyclone 软件使用难度大，