論三維激光掃描儀在礦山露天爆破設計中的應用

陳 為，李建文

(中信大錳礦業(yè)有限責任公司，廣西南寧 530028)

0 前言

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，是測繪領域繼 GPS技術之后的又一次技術革命[1]。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，能夠快速獲得完整的原始測繪數(shù)據(jù)并高精度地重建掃描實物。該技術可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構，無需進行任何實物表面處理，其激光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標的真實數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠。由于在獲取空間信息方面提供了一種全新的技術手段，傳統(tǒng)的單點采集數(shù)據(jù)變?yōu)檫B續(xù)自動獲取數(shù)據(jù)，從而提高了測量的效率[2]。

文章通過相關實例，介紹三維激光掃描儀的類型、原理和工作方式，分析ILRIS-HD掃描儀的特點和相關技術參數(shù)，并利用SURPAC軟件對所獲取的三維數(shù)據(jù)進行建模和露天爆破設計，進而討論三維激光掃描資料后處理的問題及方法。

1 三維激光掃描儀的分類及數(shù)據(jù)獲取方式

對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，通常有2類方法：基于圖像的方法和基于幾何的方法。基于圖像的方法是通過照片或圖片來建立模型，其數(shù)據(jù)來源是數(shù)碼相機；而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數(shù)據(jù)來建立三維模型，這種方法含有被測場景比較精確的幾何信息。文章介紹利用三維激光掃描儀建立三維模型的原理和實例[3]。

圖1 ILRIS-HD三維激光掃描儀

ILRIS-HD系統(tǒng)簡介如下：

ILRIS-HD三維激光掃描儀系統(tǒng)，如圖1，由三維激光掃描儀掃描主機、電池、三角架、筆記本電腦、應用軟件及其他附件組合組成。在工作時，由掃描儀內(nèi)部激光脈沖二極管發(fā)射的激光脈沖，經(jīng)過旋轉棱鏡，射向被測物體，然后通過探測器，接收并記錄反射回來的激光脈沖。激光束的垂直偏轉角(“線掃描”)，通過一個包含幾個反射表面的多面體來控制。通過改變多棱鏡的旋轉速度可以用來調(diào)整掃描速度。此外，可選配備中的轉臺，能實現(xiàn)測量傾角的調(diào)整，使得其能夠方便地進行俯視和仰視的測量，實現(xiàn)360(°) ×[-20(°)～90(°)]或者 360(°) ×[-90(°)～20(°)]范圍內(nèi)的自動掃描。而且，該設備采用的激光技術基于距離數(shù)字采集L IDAR(Light Distance and Ranging)光傳輸時間測量方法，符合(Class I，IEC608251)的激光標準，在任何環(huán)境下對人體、物體完全安全。

在軟件的支持下，能進行快速精確、高效穩(wěn)定的掃描，同時可以對三維數(shù)字模型進行紋理的精確迭加，其分辨率可高達毫米量級。利用 ILRIS-HD三維激光掃描儀能夠在較短的時間內(nèi)對感興趣的區(qū)域，樓房，橋梁，室內(nèi)等獲取詳盡的、高精度的三維立體影像圖數(shù)據(jù)。利用強大的后期處理軟件，如Poly-Works，將得到的數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的需要，制作出極為豐富的三維立體空間模型(CAD)，立體影像(MA YA)及三維定量分析。

2 ILRIS-HD主要技術參數(shù)

ILRIS-HD主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 ILRIS-HD主要技術參數(shù)

3 ILRIS-HD數(shù)據(jù)采集

以廣西下雷錳礦區(qū)西北采場為例進行數(shù)據(jù)掃描，共掃描西北采場共4層臺階。使用 ILRIS-HD為長距離高精度三維激光掃描儀，由三維掃描儀原理，掃描的內(nèi)容和距離成正比，離臺階越遠，掃描內(nèi)容越多，因此架站掃描的時候可以距離臺階遠一點，這樣可以減少架站次數(shù)，節(jié)約時間。本次共架設并移動儀器2次，共掃得13個場景數(shù)據(jù)。

4 掃描數(shù)據(jù)處理

掃描獲得的數(shù)據(jù)以圖片格式存儲，需要使用Optech公司配送的專用軟件進行解壓，該軟件能夠加上RGB色彩，讓點云顯示掃描拍照時的色彩。對于解壓后的數(shù)據(jù)處理，需要用 Ployworks逆向建模軟件。首先使用Ployworks中“開始對齊模塊”進行掃描數(shù)據(jù)拼接，拼接時每幅數(shù)據(jù)之間最好要保證30%左右的公共部分，且拼接時最少要尋找3個以上特征點，拼接好的數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 西北采場掃描數(shù)據(jù)

5 截取數(shù)據(jù)進行爆破設計

1)截取需要爆破的臺階點云數(shù)據(jù)，導入SURPAC后建模得到臺階模型(見圖3)。

圖3 西北采場某段臺階

2)以臺階模型為頂，以固定標高為底建立鉆孔模型(本設計設定臺階高度10 m)，這樣得到的鉆孔模型較符合實際情況。

3)軟件裝藥計算，按照實際情況，從孔口開始往下裝藥，炸藥的密度，雷管的型號、延時等都可以事先預設好。然后設置好點火順序。

4)計算爆破影響的邊界范圍，得到爆破邊界線，再以爆破邊界線文件為邊界，以臺階模型為頂，以固定標高為底得到一個封閉的爆破體模型(見圖4)。

圖4 爆破體模型

5)出最終報告。

最終報告如表2所示。

表2 最終報告

6 分析與結語

實驗所建立的三維模型通過Polyworks軟件處理后，具有較高精度。要使三維模型發(fā)揮更大作用，可將建立的三維模型導入SURPAC中進行矢量化建模，明確對象的相對坐標，從而應用于實際工程中。實驗取得了一些經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)了需要解決問題。

1)對于大型建筑物或場景，掃描站點的布設十分重要，既要保證數(shù)據(jù)不能缺失，又要不能讓數(shù)據(jù)過分冗余，造成不必要的工作量。

2)對于大型場景或高大建筑物等被測對象需要放置標靶，通過Polyworks軟件將其拼接，要保證拼接的精度，必須保證數(shù)據(jù)質量，并盡量減少數(shù)據(jù)的缺失。

三維激光掃描儀可以快速獲取空間均勻密布且精度較高的點云三維坐標數(shù)據(jù)信息，具有相當大的應用潛力和市場需求。論文對利用ILRIS-HD三維激光掃描儀建立三維模型進行爆破設計的初步嘗試，還有許多工作尚待完成。例如，將項目坐標系快速轉換為全球坐標系，真正使其應用于測量領域；模型的快速矢量化處理等等，都需要在今后的工作中不斷深入研究，以求得更多成果。

[1]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J].地理空間信息，2005，3(3)：60-62.

[2]余明，丁辰，過靜.激光三維掃描技術用于古建筑測繪的研究[J].測繪科學，2004，29(5)：69-70.

[3]李光玉，劉雁春.基于Arc GIS的航道三維可視化關鍵技術研究[C]//第21屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集.2009.